JP6932861B2 - Proteome assay using quantum sensor - Google Patents
Proteome assay using quantum sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP6932861B2 JP6932861B2 JP2020571335A JP2020571335A JP6932861B2 JP 6932861 B2 JP6932861 B2 JP 6932861B2 JP 2020571335 A JP2020571335 A JP 2020571335A JP 2020571335 A JP2020571335 A JP 2020571335A JP 6932861 B2 JP6932861 B2 JP 6932861B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- center
- color
- diamond
- label
- capture
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000003556 assay Methods 0.000 title description 16
- 108010026552 Proteome Proteins 0.000 title description 4
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 103
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 103
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 95
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 94
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims description 91
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 claims description 87
- 108091023037 Aptamer Proteins 0.000 claims description 66
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 62
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 61
- 230000027455 binding Effects 0.000 claims description 56
- 238000009739 binding Methods 0.000 claims description 56
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 46
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 43
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 42
- 150000007523 nucleic acids Chemical group 0.000 claims description 42
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 claims description 41
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 claims description 41
- 230000005283 ground state Effects 0.000 claims description 36
- 239000012488 sample solution Substances 0.000 claims description 34
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 33
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 23
- 150000003230 pyrimidines Chemical class 0.000 claims description 20
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 17
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 116
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 65
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 41
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 35
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 30
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 28
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 28
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 26
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 25
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 21
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 description 18
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 17
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 17
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 15
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 14
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 14
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 12
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 12
- 238000000018 DNA microarray Methods 0.000 description 11
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 11
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 11
- 241000894007 species Species 0.000 description 11
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 10
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 10
- 210000002700 urine Anatomy 0.000 description 10
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 9
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 9
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 9
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 8
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 8
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 description 7
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 7
- 229920001184 polypeptide Polymers 0.000 description 7
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 description 7
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 7
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 6
- 238000004435 EPR spectroscopy Methods 0.000 description 6
- DRTQHJPVMGBUCF-XVFCMESISA-N Uridine Chemical compound O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1N1C(=O)NC(=O)C=C1 DRTQHJPVMGBUCF-XVFCMESISA-N 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 5
- UHDGCWIWMRVCDJ-ZAKLUEHWSA-N cytidine Chemical compound O=C1N=C(N)C=CN1[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](CO)O1 UHDGCWIWMRVCDJ-ZAKLUEHWSA-N 0.000 description 5
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 5
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 4
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 4
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 4
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 108091034117 Oligonucleotide Proteins 0.000 description 3
- CZPWVGJYEJSRLH-UHFFFAOYSA-N Pyrimidine Chemical group C1=CN=CN=C1 CZPWVGJYEJSRLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 3
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 3
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 3
- 108020004999 messenger RNA Proteins 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 3
- 239000002516 radical scavenger Substances 0.000 description 3
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 description 3
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 3
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 3
- KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N EDTA Chemical compound OC(=O)CN(CC(O)=O)CCN(CC(O)=O)CC(O)=O KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002965 ELISA Methods 0.000 description 2
- 102000003839 Human Proteins Human genes 0.000 description 2
- 108090000144 Human Proteins Proteins 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 108091028043 Nucleic acid sequence Proteins 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000008827 biological function Effects 0.000 description 2
- 230000031018 biological processes and functions Effects 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 210000001175 cerebrospinal fluid Anatomy 0.000 description 2
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 2
- 238000004587 chromatography analysis Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 2
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002493 microarray Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000009871 nonspecific binding Effects 0.000 description 2
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 210000002966 serum Anatomy 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- 230000005469 synchrotron radiation Effects 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 125000002221 trityl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C([H])C([H])=C1C([*])(C1=C(C(=C(C(=C1[H])[H])[H])[H])[H])C1=C([H])C([H])=C([H])C([H])=C1[H] 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UHDGCWIWMRVCDJ-UHFFFAOYSA-N 1-beta-D-Xylofuranosyl-NH-Cytosine Natural products O=C1N=C(N)C=CN1C1C(O)C(O)C(CO)O1 UHDGCWIWMRVCDJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010088751 Albumins Proteins 0.000 description 1
- 102000009027 Albumins Human genes 0.000 description 1
- 241000972773 Aulopiformes Species 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UHDGCWIWMRVCDJ-PSQAKQOGSA-N Cytidine Natural products O=C1N=C(N)C=CN1[C@@H]1[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](CO)O1 UHDGCWIWMRVCDJ-PSQAKQOGSA-N 0.000 description 1
- 238000012286 ELISA Assay Methods 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- HTTJABKRGRZYRN-UHFFFAOYSA-N Heparin Chemical compound OC1C(NC(=O)C)C(O)OC(COS(O)(=O)=O)C1OC1C(OS(O)(=O)=O)C(O)C(OC2C(C(OS(O)(=O)=O)C(OC3C(C(O)C(O)C(O3)C(O)=O)OS(O)(=O)=O)C(CO)O2)NS(O)(=O)=O)C(C(O)=O)O1 HTTJABKRGRZYRN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001494479 Pecora Species 0.000 description 1
- 206010036790 Productive cough Diseases 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JLCPHMBAVCMARE-UHFFFAOYSA-N [3-[[3-[[3-[[3-[[3-[[3-[[3-[[3-[[3-[[3-[[3-[[5-(2-amino-6-oxo-1H-purin-9-yl)-3-[[3-[[3-[[3-[[3-[[3-[[5-(2-amino-6-oxo-1H-purin-9-yl)-3-[[5-(2-amino-6-oxo-1H-purin-9-yl)-3-hydroxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(5-methyl-2,4-dioxopyrimidin-1-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(6-aminopurin-9-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(6-aminopurin-9-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(6-aminopurin-9-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(6-aminopurin-9-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(5-methyl-2,4-dioxopyrimidin-1-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(4-amino-2-oxopyrimidin-1-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(5-methyl-2,4-dioxopyrimidin-1-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(5-methyl-2,4-dioxopyrimidin-1-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(6-aminopurin-9-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(6-aminopurin-9-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(4-amino-2-oxopyrimidin-1-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(4-amino-2-oxopyrimidin-1-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(4-amino-2-oxopyrimidin-1-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(6-aminopurin-9-yl)oxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl]oxy-5-(4-amino-2-oxopyrimidin-1-yl)oxolan-2-yl]methyl [5-(6-aminopurin-9-yl)-2-(hydroxymethyl)oxolan-3-yl] hydrogen phosphate Polymers Cc1cn(C2CC(OP(O)(=O)OCC3OC(CC3OP(O)(=O)OCC3OC(CC3O)n3cnc4c3nc(N)[nH]c4=O)n3cnc4c3nc(N)[nH]c4=O)C(COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3COP(O)(=O)OC3CC(OC3CO)n3cnc4c(N)ncnc34)n3ccc(N)nc3=O)n3cnc4c(N)ncnc34)n3ccc(N)nc3=O)n3ccc(N)nc3=O)n3ccc(N)nc3=O)n3cnc4c(N)ncnc34)n3cnc4c(N)ncnc34)n3cc(C)c(=O)[nH]c3=O)n3cc(C)c(=O)[nH]c3=O)n3ccc(N)nc3=O)n3cc(C)c(=O)[nH]c3=O)n3cnc4c3nc(N)[nH]c4=O)n3cnc4c(N)ncnc34)n3cnc4c(N)ncnc34)n3cnc4c(N)ncnc34)n3cnc4c(N)ncnc34)O2)c(=O)[nH]c1=O JLCPHMBAVCMARE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 125000001797 benzyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(C([H])=C1[H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- DRTQHJPVMGBUCF-PSQAKQOGSA-N beta-L-uridine Natural products O[C@H]1[C@@H](O)[C@H](CO)O[C@@H]1N1C(=O)NC(=O)C=C1 DRTQHJPVMGBUCF-PSQAKQOGSA-N 0.000 description 1
- 238000001574 biopsy Methods 0.000 description 1
- 230000004397 blinking Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 1
- 239000008364 bulk solution Substances 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 239000002738 chelating agent Substances 0.000 description 1
- 125000003636 chemical group Chemical group 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005292 diamagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 210000003608 fece Anatomy 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 230000000762 glandular Effects 0.000 description 1
- 230000013595 glycosylation Effects 0.000 description 1
- 238000006206 glycosylation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 229960002897 heparin Drugs 0.000 description 1
- 229920000669 heparin Polymers 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001477 hydrophilic polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003018 immunoassay Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 125000001041 indolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000003368 label free method Methods 0.000 description 1
- 238000011898 label-free detection Methods 0.000 description 1
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 1
- 210000000265 leukocyte Anatomy 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 210000004880 lymph fluid Anatomy 0.000 description 1
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 1
- 239000002207 metabolite Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004001 molecular interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004776 molecular orbital Methods 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 125000001624 naphthyl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- 125000003835 nucleoside group Chemical group 0.000 description 1
- 230000005408 paramagnetism Effects 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 210000003819 peripheral blood mononuclear cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000000144 pharmacologic effect Effects 0.000 description 1
- 239000008363 phosphate buffer Substances 0.000 description 1
- 150000008300 phosphoramidites Chemical class 0.000 description 1
- 230000026731 phosphorylation Effects 0.000 description 1
- 238000006366 phosphorylation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 1
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000004481 post-translational protein modification Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000002331 protein detection Methods 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 210000003296 saliva Anatomy 0.000 description 1
- 235000019515 salmon Nutrition 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 210000000582 semen Anatomy 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 230000009870 specific binding Effects 0.000 description 1
- 238000011895 specific detection Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 210000003802 sputum Anatomy 0.000 description 1
- 208000024794 sputum Diseases 0.000 description 1
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 1
- 210000001179 synovial fluid Anatomy 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229940113082 thymine Drugs 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 125000005039 triarylmethyl group Chemical group 0.000 description 1
- DRTQHJPVMGBUCF-UHFFFAOYSA-N uracil arabinoside Natural products OC1C(O)C(CO)OC1N1C(=O)NC(=O)C=C1 DRTQHJPVMGBUCF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940045145 uridine Drugs 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54313—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
- G01N33/54326—Magnetic particles
- G01N33/54333—Modification of conditions of immunological binding reaction, e.g. use of more than one type of particle, use of chemical agents to improve binding, choice of incubation time or application of magnetic field during binding reaction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/68—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6813—Hybridisation assays
- C12Q1/6834—Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/78—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
- G01N24/08—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using nuclear magnetic resonance
- G01N24/088—Assessment or manipulation of a chemical or biochemical reaction, e.g. verification whether a chemical reaction occurred or whether a ligand binds to a receptor in drug screening or assessing reaction kinetics
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
- G01N24/10—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using electron paramagnetic resonance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
- G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/5308—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor for analytes not provided for elsewhere, e.g. nucleic acids, uric acid, worms, mites
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54306—Solid-phase reaction mechanisms
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
- G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
- G01N33/54386—Analytical elements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/551—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being inorganic
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/58—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving labelled substances
- G01N33/588—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving labelled substances with semiconductor nanocrystal label, e.g. quantum dots
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/68—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
- G01N33/6803—General methods of protein analysis not limited to specific proteins or families of proteins
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/68—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
- G01N33/6803—General methods of protein analysis not limited to specific proteins or families of proteins
- G01N33/6842—Proteomic analysis of subsets of protein mixtures with reduced complexity, e.g. membrane proteins, phosphoproteins, organelle proteins
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
- G01R33/323—Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N2021/6495—Miscellaneous methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
- G01N2021/7783—Transmission, loss
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6489—Photoluminescence of semiconductors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2570/00—Omics, e.g. proteomics, glycomics or lipidomics; Methods of analysis focusing on the entire complement of classes of biological molecules or subsets thereof, i.e. focusing on proteomes, glycomes or lipidomes
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Hematology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Description
本発明は、プロテオーム解析の最初のステップにおける、血液または尿などの生体液中の数百または数千のタンパク質の同時検出に関する。特に本発明は、当該検出を、質量分析またはクロマトグラフィー的方法を用いることなく達成し、かつ、コンパクトで、安価で、再利用可能である器具の使用を可能にする、ラベルフリーアッセイを使用する。 The present invention relates to the simultaneous detection of hundreds or thousands of proteins in biological fluids such as blood or urine in the first step of proteome analysis. In particular, the present invention uses a label-free assay that achieves the detection without the use of mass spectrometry or chromatographic methods and allows the use of compact, inexpensive and reusable instruments. ..
従来より、遺伝子の活性を評価するための、または疾患のプロセスもしくは薬理作用の生体プロセスを含む生体プロセスを解読するための様々な試みは、遺伝子に焦点を当ててきた。しかしながら、プロテオミクスは、細胞および生物の生体機能についてのさらなる情報を提供し得る。プロテオミクスは、遺伝子レベルよりタンパク質レベルに関する発現を検出および定量化することによる遺伝子活性の定性的および定量的な測定を含む。またプロテオミクスは、タンパク質の翻訳後修飾およびタンパク質間の相互作用などの、遺伝的にコードされていない事象の研究を含む。 Traditionally, various attempts to assess gene activity or to decipher biological processes, including disease processes or biological processes of pharmacological action, have focused on genes. However, proteomics can provide additional information about the biological functions of cells and organisms. Proteomics involves qualitative and quantitative measurements of gene activity by detecting and quantifying expression at the protein level rather than at the gene level. Proteomics also includes the study of genetically unencoded events such as post-translational modifications of proteins and interactions between proteins.
現在、大量のゲノム情報を入手することが可能である。DNAチップは、この目的のための分子アレイとして実用的に使用されており、直接的なDNAシーケンスの値段は、著しく減少し続けている。また、高スループットプロテオミクスに関する需要が高まっている。DNAよりも生物学的機能においてより複合的であり可変性であるタンパク質を検出するために、チップが提案されており、これは現在多くのアプリケーションのための集中的な研究の対象である。プロテオミクスは、健康のモニタリングに関してゲノムよりもはるかに好ましく、これはゲノムが静的であり、医学上の可能性のみを表すのに対し、プロテオームは、患者の病態で動的に変動し、さらにはそれらの病態を定義すると言われるからである。しかしながら、タンパク質を検出および定量化することは困難であり、対して核酸を検出および定量化することは、比較的容易である。このことは、タンパク質濃度の代わりにmRNA(メッセンジャーRNA)の濃度を測定する多くの試みを動機づけた。残念なことに、mRNAの濃度は、タンパク質の濃度と良好に相関しないことが示されている。プロテオミクスは、タンパク質を直接検出する技量に必然的に依存すると思われる。 Currently, a large amount of genomic information is available. DNA chips have been practically used as molecular arrays for this purpose, and the price of direct DNA sequences continues to decline significantly. In addition, there is an increasing demand for high-throughput proteomics. Chips have been proposed to detect proteins that are more complex and variable in biological function than DNA, which is currently the subject of intensive research for many applications. Proteomics is much more preferred than the genome for health monitoring, where the genome is static and represents only medical potential, whereas proteomes dynamically fluctuate depending on the patient's condition and even This is because it is said to define those pathological conditions. However, it is difficult to detect and quantify proteins, whereas it is relatively easy to detect and quantify nucleic acids. This motivated many attempts to measure the concentration of mRNA (messenger RNA) instead of protein concentration. Unfortunately, it has been shown that mRNA levels do not correlate well with protein levels. Proteomics will inevitably depend on the ability to detect proteins directly.
「タンパク質チップ」は、当該タンパク質を捕捉するためのタンパク質または分子(捕捉試薬)がチップの表面に固定され、タンパク質の結合の検出を可能にする、いずれかの装置を指すために使用される集合的な用語である。近年まで、タンパク質チップ上の捕捉試薬は、圧倒的に抗体であった。生体液などの複雑な混合物における特定のタンパク質の検出は、高い特異性を必要とし、よって抗体を利用する多くのタンパク質チップが、特異性をブーストするためのサンドイッチアッセイにも依存する。このようなアッセイは、プロテオミクスにとって重要な欠点を有することが知られており、そのうちのいくつかは、タンパク質および/または抗体に特異的であり、そのうちのいくつかは、サンドイッチアッセイに特異的である。 A "protein chip" is a set used to refer to any device in which a protein or molecule (capture reagent) for capturing the protein is immobilized on the surface of the chip, allowing detection of protein binding. Terminology. Until recently, capture reagents on protein chips were predominantly antibodies. Detection of specific proteins in complex mixtures such as biofluids requires high specificity, and many protein chips that utilize antibodies also rely on sandwich assays to boost specificity. Such assays are known to have important drawbacks for proteomics, some of which are protein and / or antibody specific, and some of which are sandwich assay specific. ..
現在、プロテオミクスのデータを定期的にヒトの対象から集めることが可能な経済的に実行可能な手段は存在しない。サンプルのプロテオミクスの測定は通常、検出および定量化のため様々な質量分析技術と組み合わせたサンプル調製のための様々なクロマトグラフィー技術によって達成される。これらの手法に使用される器具は、高価であり大きく、よって、サンプルは通常、中央処理施設に発送されなければならない。サンプルを輸送する必要性は、サンプルが、発送の間の保管のために収集時に処理されるか、または輸送が可能となるまでその場で保存されることを必要とする。残念なことに、調製および保管のプロトコルは、場所により、さらには同じ場所の中であっても幅広く変動する傾向がある。これらのプロトコルにおける差異は常に、プロテオミクス測定の下流に有意な変動をもたらし、分析を困難または不可能にする。 Currently, there is no economically viable means of collecting proteomics data from human subjects on a regular basis. Measurement of sample proteomics is usually achieved by various chromatographic techniques for sample preparation combined with various mass spectrometric techniques for detection and quantification. The instruments used in these procedures are expensive and large, so samples usually have to be shipped to a central processing facility. The need to transport a sample requires that the sample be processed at the time of collection for storage during shipping or stored in place until it can be shipped. Unfortunately, preparation and storage protocols tend to vary widely from place to place, and even within the same place. Differences in these protocols always result in significant variations downstream of proteomics measurements, making analysis difficult or impossible.
理想的なプロテオミクス収集装置は、完全に固体の状態での作業(移動部分がほとんどない)に近づき、試薬の使用が最小限であるようにラベルフリーの検出技術を利用することにより、費用を最小限にし、無限の測定のため再利用可能であり、かつ少量の生体液で作動する。サンプルの調製および保管プロトコルの変動によるサンプル解析の変動は、サンプル調製を最小限にするかまたは排除することにより、および所定の場所および時間および収集でサンプル測定を行い、サンプルの保管および輸送を排除することにより、低減され得る。 The ideal proteomics collector approaches working in a completely solid state (with few moving parts) and minimizes costs by utilizing label-free detection technology to minimize reagent use. It is reusable for limited, endless measurements and operates with small amounts of biofluid. Fluctuations in sample analysis due to variations in sample preparation and storage protocols eliminate sample storage and transport by minimizing or eliminating sample preparation and taking sample measurements in place, time and collection. By doing so, it can be reduced.
新規分類の、非タンパク質ベースの捕捉試薬が、核酸分子で見出されている。長年にわたる定説は、核酸は第1に情報的な役割を有するということであった。場合によりSELEXプロセスとも称されるSELEX(Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment)として知られる方法を介して、核酸が、タンパク質とそれほど異なるものではない3次元構造的多様性を有することが明らかとなっている。SELEXプロセスは、標的分子に非常に特異的に結合する核酸分子のin vitro進化のための方法であって、それぞれが本開示に参照により組み込まれている、1990年6月11日に出願の、表題「Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment,の米国特許仮出願番号第07/536,428号、現在は放棄されている米国特許第5,475,096号(表題”Nucleic Acid Ligands”)、米国特許第5,270,163号(同様に国際特許公開公報第91/19813号参照)(表題「Nucleic Acid Ligands」)に記載されている。これらの各公開公報は、集合的に、本明細書中でSELEX特許出願と称され、いずれかの望ましい標的分子に対する核酸捕捉試薬を作製するための方法を記載する。 A new class of non-protein-based capture reagents has been found in nucleic acid molecules. A long-standing theory has been that nucleic acids have an informational role in the first place. Through a method known as SELEX (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment), sometimes also referred to as the SELEX process, it has become clear that nucleic acids have three-dimensional structural diversity that is not very different from proteins. There is. The SELEX process is a method for in vitro evolution of nucleic acid molecules that bind very specifically to a target molecule, each of which is incorporated by reference in the present disclosure, filed June 11, 1990. U.S. Patent Application No. 07/536,428 of the title "Systematic Evolution of Ligands by EXPONENTIAL Enrichment," now abandoned U.S. Patent No. 5,475,096 (Title "Nucleic Acid Litens"), U.S.A. It is described in Nos. 5,270,163 (also see International Patent Publication Nos. 91/19813) (title "Nucleic Acid Lights"). Each of these publications, collectively referred to herein as a SELEX patent application, describes a method for making a nucleic acid capture reagent for any desired target molecule.
SELEXプロセスは、核酸リガンドまたはアプタマーと称されるクラスの生成物を提供し、生成物はそれぞれが固有の配列を有し、望ましい標的化合物または分子に特異的に結合する性質を有する。SELEXにより同定される核酸捕捉試薬はそれぞれ、所定の標的の化合物または分子の特異的なリガンドである。SELEXプロセスは、核酸が、モノマーまたはポリマーであるかにかかわらず、実質的に任意の化学化合物とリガンドとして作用する(特異的な結合対を形成する)ためにそれらのモノマー内で利用可能な、様々な二次元および三次元の構造を形成するために十分な特質ならびに十分な化学的多用途性を有するという固有の知見に基づく。任意の大きさまたは組成の分子が標的として作用し得る。 The SELEX process provides a class of products called nucleic acid ligands or aptamers, each of which has a unique sequence and the property of specifically binding to a desired target compound or molecule. Each nucleic acid capture reagent identified by SELEX is a specific ligand for a given target compound or molecule. The SELEX process is available within a nucleic acid to act as a ligand (form a specific binding pair) with virtually any chemical compound, whether it is a monomer or a polymer. It is based on the unique finding that it has sufficient properties and sufficient chemical versatility to form various two-dimensional and three-dimensional structures. Molecules of any size or composition can act as targets.
高親和性結合の適用に適したSELEX法は、結合親和性および選択性の実質的に任意の望ましい基準を達成するために、同じ一般的な選択スキームを使用する、候補のオリゴヌクレオチドの混合物からの選択、ならびに結合、分離、および増幅の段階的な繰り返しを含む。核酸、好ましくは無作為化された配列のセグメントを含む核酸の混合物から開始して、SELEX法は、結合に好ましい条件下で標的と混合物を接触させるステップと、標的分子に特異的に結合している核酸から結合していない核酸を分離するステップと、核酸−標的複合体を解離するステップと、核酸−標的複合体から解離した核酸を増幅してリガンドを多く含む核酸の混合物を生じた後、必要に応じたサイクルを通じて結合するステップ、分離するステップ、解離するステップ、および増幅させるステップを繰り返して、標的分子に対して著しく特異的な高親和性の核酸リガンドを生じるステップとを含む。 Suitable for the application of high affinity binding, the SELEX method uses the same general selection scheme to achieve virtually any desired criterion of binding affinity and selectivity, from a mixture of candidate oligonucleotides. Includes the selection of, and the stepwise repetition of binding, separation, and amplification. Starting with a mixture of nucleic acids, preferably nucleic acids containing segments of randomized sequences, the SELEX method involves contacting the target with the mixture under favorable conditions for binding and specifically binding to the target molecule. After separating the unbound nucleic acid from the existing nucleic acid, dissociating the nucleic acid-target complex, and amplifying the dissociated nucleic acid from the nucleic acid-target complex to produce a ligand-rich nucleic acid mixture. It includes a step of binding, a step of separating, a step of dissociating, and a step of amplifying through a cycle as needed to generate a nucleic acid ligand having a highly specific affinity for the target molecule.
SOMAmer(Slow Off−rate Modified Aptamers)は、解離(off−rate)の特徴が改善されたアプタマーである。この解離の特徴の改善は、解離速度(t1/2)またはアプタマー/標的複合体の50%が解離された時点として表され得る。このような解離速度は、一般的に、5、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180、200、220、および240分超から変動し得、これは、タンパク質−アプタマー複合体が解離する平均時間である。さらにSOMAmerは、異なる一体型の(built−in)官能性を提供する修飾されたヌクレオシドを含む。これらの官能性は、固定化のためのタグ、検出のためのラベル、分離を促進または制御するための手段、タンパク質との良好な親和性を提供するための疎水性側鎖などを含み得る。タンパク質との親和性を改善するための修飾は、ピリミジン塩基の5位に結合される化学基である。5位を官能基付与することにより(たとえばベンジル基、ナフチル基、またはインドール基で)、SOMAmerの化学的な多様性が拡大し、より幅広い範囲の標的分子との高親和性結合を可能にする。さらに、いくつかのポリメラーゼは、これらの位置の修飾を伴うDNAをさらに転写でき、よって、SELEXプロセスに必要な増幅を可能にする。SOMAmerおよびこれらを作製するための方法は、それぞれが本開示に参照により本明細書中組み込まれる、米国特許第7,964,356号および同第7,947,447号(両表題は「Method for generating aptamers with improved off−rates」に)記載されている。 SOMAmer (Slow Off-late Modified Aptamers) is an aptamer with improved off-rate characteristics. This improvement in dissociation characteristics can be expressed as the dissociation rate (t 1/2 ) or the time at which 50% of the aptamer / target complex is dissociated. Such dissociation rates are generally 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 220, and 240 minutes. It can vary from super-variable, which is the average time for the protein-aptamer complex to dissociate. In addition, SOMAmer contains modified nucleosides that provide different built-in functionality. These functionalities may include tags for immobilization, labels for detection, means for promoting or controlling separation, hydrophobic side chains for providing good affinity with proteins, and the like. The modification to improve the affinity with the protein is the chemical group attached to the 5-position of the pyrimidine base. The addition of a functional group at the 5-position (eg, with a benzyl group, naphthyl group, or indole group) expands the chemical diversity of SOMAmer, allowing high affinity binding to a wider range of target molecules. .. In addition, some polymerases can further transcribe DNA with modifications of these positions, thus allowing the amplification required for the SELEX process. SOMAmer and the methods for making these are incorporated herein by reference, respectively, in US Pat. Nos. 7,964,356 and 7,947,447 (both titles are "Metaphod for". It is described in "generating aptamers with improbed off-rates").
アプタマーおよびSOMAmerは、SELEXプロセスにより発見され得るが、これらを選択するための他の手段が存在し得ることに留意されたい。たとえば、分子的相互作用のコンピュータモデリングが向上しているため、アプタマーに関し理想的な核酸配列およびSOMAmerに関し関連する化学的修飾を直接計算して所定の標的分子に特異的な捕捉試薬を作製することが可能になり得る。SELEX以外のアプタマーおよびSOMAmerをスクリーニングするための他の化学的技術もまた可能である。 It should be noted that although aptamers and SOMAmers can be found by the SELEX process, there may be other means for selecting them. For example, due to the improved computer modeling of molecular interactions, the ideal nucleic acid sequence for aptamers and the relevant chemical modifications for SOMAmer can be directly calculated to create capture reagents specific for a given target molecule. Can be possible. Other chemical techniques for screening aptamers and SOMAmers other than SELEX are also possible.
生体サンプルおよび他のサンプル中の生理的に重要な分子の検出および定量化を目的とするアッセイは、科学的研究およびヘルスケアの分野において重要なツールである。このようなアッセイの他のクラスは、固体の担体に固定された1つ以上のアプタマーを含むマイクロアレイの使用を含む。これらのアプタマーはそれぞれ、特異性の高い様式でおよび非常に高い親和性にて標的分子にそれぞれ結合できる。たとえば、米国特許第5,475,096号(表題「Nucleic Acid Ligands」)、同様に同第6,242,246号、同第6,458,543号、および同第6,503,71号(それぞれ表題が「Nucleic Acid Ligand Diagnostic Biochip」である)を参照されたい。これらの特許は、本開示に参照によって本明細書に組み込まれている。マイクロアレイがサンプルと接触されると、アプタマーは、サンプルに存在する各標的分子に結合し、これによりサンプル中の標的分子の非存在、存在、量、および/または濃度を決定できる。 Assays aimed at detecting and quantifying physiologically important molecules in biological and other samples are important tools in the field of scientific research and healthcare. Other classes of such assays include the use of microarrays containing one or more aptamers immobilized on a solid carrier. Each of these aptamers can bind to the target molecule in a highly specific manner and with a very high affinity. For example, U.S. Pat. Nos. 5,475,096 (titled "Nucleic Acid Ligands"), as well as 6,242,246, 6,458,543, and 6,503,71 (6,503,71). Please refer to (the title of each is "Nucleic Acid Ligand Digital Biochip"). These patents are incorporated herein by reference in this disclosure. When the microarray is contacted with the sample, the aptamer binds to each target molecule present in the sample, which can determine the absence, presence, amount, and / or concentration of the target molecule in the sample.
ラベルフリーのアッセイは、非常に望ましいと考えられているが、常に達成できるわけではない。ラベルは、分子の存在または活性を検出するために目的の分子に化学的または一時的に付着される任意の外来性分子である。ラベルフリーのアッセイは、分子の存在または活性をモニタリングするために、分子量、分子の電荷、比誘電率、または(本発明の場合では)アプタマーに対する親和性などの分子の生物物理的な性質を利用する。本発明のいくつかの実施形態は、表面に付着したアプタマーに関連するスピンラベルを利用する。このスピンラベルは、目的の分子(たとえばタンパク質)とは反対に検出系の成分(たとえばアプタマー)に付着されるため、本発明は、ラベルフリーアッセイとみなされる。多くの感受性の高いアッセイは、分析物が検出可能なタグで「ラベル」されることを必要とする。このタグまたはラベルは、色素、放射性同位体、または容易に測定される他のいずれかのものであり得、これによって代理で分析物を測定し得る。 Label-free assays are considered highly desirable, but not always achievable. A label is any exogenous molecule that is chemically or temporarily attached to a molecule of interest to detect the presence or activity of the molecule. Label-free assays utilize the biophysical properties of a molecule, such as molecular weight, charge of the molecule, relative permittivity, or (in the case of the present invention) affinity for aptamers, to monitor the presence or activity of the molecule. do. Some embodiments of the invention utilize spin labels associated with surface-attached aptamers. The present invention is considered a label-free assay because the spin label is attached to a component of the detection system (eg, aptamer) as opposed to the molecule of interest (eg, protein). Many sensitive assays require that the analyte be "labeled" with a detectable tag. This tag or label can be a dye, a radioisotope, or any other readily measurable, which can be used to measure the analyte on its behalf.
ELISAアッセイ(酵素結合免疫吸着測定法)は、その高い感受性および特異性のためイムノアッセイの「絶対的基準」とみなされているが、ラベルフリーとはみなされない。ELISAは、分析物上の異なる結合点(エピトープ)に特異的な2つの抗体を使用し、ラベルフリーとは反対に「サンドイッチアッセイ」である。抗体の1つは表面に固定され、サンプル液由来の分析物を捕捉する。第2の抗体は、特定の添加剤中の検出可能な変化を触媒する酵素に連結される。分析物が固定した抗体によって捕捉された後、この表面を洗浄して望ましくない分子を除去し、第2の抗体を添加した後、洗浄を行い、通常は検出可能な色素へと触媒される添加剤を添加する。第2の抗体は、特異性および検出可能性を付与するが、それはまた費用の高い試薬を含むいくつかのステップをも必要とする。このアッセイのラベルフリーな形態は、第1の抗体、および分析物の結合を検出するいくつかの手段のみから構成される。 ELISA assays (enzyme-linked immunosorbent assay) are considered "absolute criteria" for immunoassays due to their high sensitivity and specificity, but are not considered label-free. ELISA is a "sandwich assay" as opposed to label-free, using two antibodies specific for different binding points (epitope) on the analyte. One of the antibodies is immobilized on the surface and captures the analyte from the sample solution. The second antibody is linked to an enzyme that catalyzes a detectable change in a particular additive. After the analyte has been captured by the immobilized antibody, the surface is washed to remove unwanted molecules, a second antibody is added, then the wash is performed, and the addition is usually catalyzed to a detectable dye. Add the agent. The second antibody imparts specificity and detectability, but it also requires several steps involving costly reagents. The label-free form of this assay consists of only a first antibody and some means of detecting the binding of the analyte.
タンパク質チップを含むバイオチップは、他の分子を無視しつつ、サンプル中の特異的な分析物を検出する手段を必要とする。本技術により記載される検出装置および方法は、光検出磁気共鳴(ODMR)または他の技術を介してプローブされ得る固体の表面の近くに位置する色中心に基づく。色中心は、はダイヤモンド、炭化ケイ素、またはシリカなどの理想的な透明の結晶性の絶縁体または大きなバンドギャップの半導体に近い点欠陥である。これらは、結晶中の原子が別の種類の原子により置き換えられている置換欠陥、原子が存在していない空孔欠陥、またはこの2つの組み合わせからなり得る。 Biochips, including protein chips, require a means of detecting specific analytes in a sample, ignoring other molecules. The detectors and methods described by this technique are based on color centers located near the surface of a solid that can be probed through Optically Detect Magnetic Resonance (ODMR) or other techniques. The color center is a point defect close to an ideal transparent crystalline insulator such as diamond, silicon carbide, or silica or a semiconductor with a large bandgap. These can consist of substitution defects in which atoms in the crystal are replaced by other types of atoms, vacancy defects in which no atoms are present, or a combination of the two.
色中心は、遊離原子に類似している局在化された電子軌道を有する。この電子状態は、主量子数、軌道量子数および磁気量子数の観点から順序付けられており、荷電されるか、中性であるか、またはその両方である場合に安定であり得る。色中心を囲む幅広いバンドギャップまたは絶縁性の結晶は、色中心を分離する「真空(vacuum)」の役割を果たす。十分に低い密度では、これは、長い緩和時間を有する電子/核のスピン状態と共存する可視域で離散する光学的な遷移を伴う(よって「色中心」と称される)、豊富で良好に分割される複合エネルギースペクトラムを有する独立した「原子様」の実体をもたらす。 The color center has a localized electron orbital that resembles a free atom. This electronic state is ordered in terms of principal quantum number, orbital quantum number, and magnetic quantum number, and can be stable when charged, neutral, or both. A wide bandgap or insulating crystal surrounding the color center acts as a "vacuum" that separates the color center. At a sufficiently low density, this is abundant and well-suited with discrete optical transitions in the visible region that coexist with electron / nucleus spin states with long relaxation times (hence the name "color center"). It results in an independent "atomic-like" entity with a split composite energy spectrum.
特に興味深いのは、その蛍光強度がスピンの分極状態(すなわち基底状態の磁気量子数)に依存する色中心である。この場合、磁気の下位レベルの集合が蛍光強度に反映され、磁気共鳴の光学的な検出を可能にする。ODMRは本質的に、磁気の下位レベルの遷移による無線周波数(RF)またはマイクロ波周波数の検出物をはるかに高いエネルギー光子の検出に変換するため、それは感度において(約5桁の大きさ)および強い蛍光に関して明らかな利点を有し、個別の色中心の光学的な観察を可能にする。 Of particular interest is the color center whose fluorescence intensity depends on the spin polarization state (ie, the ground state magnetic quantum number). In this case, the lower level set of magnetism is reflected in the fluorescence intensity, allowing optical detection of magnetic resonance. Because ODMR essentially translates radiofrequency (RF) or microwave frequency detections from lower-level transitions of optics into much higher energy photon detection, it is in sensitivity (about 5 orders of magnitude) and It has obvious advantages with respect to strong fluorescence, allowing optical observation of individual color centers.
このようなODMRが可能な色中心の例は、ダイヤモンド結晶における窒素−空孔(NV)である。本発明に記載される好ましい実施形態は、検出のためダイヤモンド中のNV中心を利用するが、本発明は他の色中心も使用できる。ダイヤモンド自体は、500を超える既知の色中心を有し、大部分は窒素に関連している。ダイヤモンド格子中の可能性のある置換として知られている他の元素としては、ニッケル、ホウ素、ケイ素、水素、およびコバルトが挙げられる。他の結晶格子中の色中心としては、たとえば、ゲルマノケイ酸塩ガラス中のゲルマニウム関連の欠陥、炭化ケイ素中のケイ素の欠陥、およびLiBaF3結晶中のX線により誘導される欠陥が挙げられる。 An example of a color center where such ODMR is possible is nitrogen-vacancy (NV) in diamond crystals. The preferred embodiment described in the present invention utilizes NV centers in diamond for detection, but the present invention can also use other color centers. Diamond itself has more than 500 known color centers and is mostly associated with nitrogen. Other elements known as possible substitutions in the diamond lattice include nickel, boron, silicon, hydrogen, and cobalt. Color centers in other crystal lattices include, for example, germanium-related defects in germanium silicate glass, silicon defects in silicon carbide, and X-ray-induced defects in LiBaF 3 crystals.
名称が暗示するように、NV中心は、格子中の隣接する空孔の隣に位置する炭素原子に対する窒素置換からなる。これは図1に示され、それはダイヤモンド結晶の概略図であり、一般に100で示され、104で示されるNV中心を含む。NV中心は、その電子のスピン状態と光学状態の間の固有のカップリングを伴う常磁性色中心である。これは、強く安定な蛍光(すなわち短い寿命の励起状態と組み合わされた大きな吸収係数)を発することができ、非常に長い磁気緩和時間も呈し、磁場または電場などの局所的な性質の感度のある検出器となる。ダイヤモンド自体は、機械的、熱的、および化学的に非常に安定である。同時に、ダイヤモンドの表面は、化学的修飾に適しており、これは分子学的作用物質を結合するために有用である。純粋なダイヤモンドは、光学的に透明であり、蛍光中心の自由な励起および放出を可能にし、この蛍光はまた、光退色を呈さず、および最小のルミネッセンス間欠性(「点滅(blinking)」を呈する。これらのすべての性質の組み合わせにより、NV中心は、非常に感度の高いバイオセンシングのための良好な候補となる。 As the name implies, the NV center consists of nitrogen substitutions for carbon atoms located next to adjacent vacancies in the lattice. This is shown in FIG. 1, which is a schematic representation of a diamond crystal, generally comprising an NV center represented by 100 and 104. The NV center is a paramagnetic color center with a unique coupling between the spin state and the optical state of the electron. It can emit strong and stable fluorescence (ie a large absorption coefficient combined with a short lifetime excited state), also exhibits a very long magnetic relaxation time, and is sensitive to local properties such as magnetic or electric fields. Become a detector. The diamond itself is very stable mechanically, thermally and chemically. At the same time, the surface of diamond is suitable for chemical modification, which is useful for binding molecular agents. Pure diamond is optically transparent, allowing free excitation and emission of the fluorescence center, which fluorescence also exhibits no photobleaching and minimal luminescence intermittentness (“blinking”). The combination of all these properties makes NV centers a good candidate for highly sensitive biosensing.
本開示は、表面に付着された捕捉試薬に標的分子が結合する際に、基板の表面近くに配置される1つ以上の色センサーの性質における変化に基づき、サンプルにおける標的分子を検出するための装置、システム、および方法を記載する。検出器は、色中心の性質における変化を検出することにより、サンプル中の標的分子を検出するように構成され得る。場合により、標的分子はタンパク質であり、捕捉試薬はアプタマーである。場合により、色中心は、ダイヤモンド中に配置されたNV中心であり、性質の変化は、蛍光放射の変化である。場合により、多数の、たとえば数百、数千、数万、またはさらにはそれより多いタンパク質種が、1つのアッセイで標的化され得る。 The present disclosure is for detecting a target molecule in a sample based on changes in the properties of one or more color sensors located near the surface of the substrate as the target molecule binds to a surface-adhered capture reagent. Describe the device, system, and method. The detector can be configured to detect the target molecule in the sample by detecting changes in the nature of the color center. In some cases, the target molecule is a protein and the capture reagent is an aptamer. In some cases, the color center is the NV center located in the diamond, and the change in properties is the change in fluorescence radiation. In some cases, a large number of protein species, such as hundreds, thousands, tens of thousands, or even more, can be targeted in one assay.
本技術は、ダイヤモンド表面などの表面上でのアプタマーまたはSOMAmerの付着、および望ましくないタンパク質による非特異的な結合に対するアプタマーまたはSOMAmerと結合しない表面の領域のパッシベーションに関与する。また本技術は、さらなる数ラウンドのタンパク質検出のための、表面に付着されるアプタマーまたはSOMAmerの再生に関与する。 The technique involves the attachment of aptamers or SOMAmers on surfaces such as diamond surfaces, and the passivation of areas of the surface that do not bind aptamers or SOMAmers to non-specific binding by unwanted proteins. The technique is also involved in the regeneration of surface-attached aptamers or SOMAmers for a few more rounds of protein detection.
本技術は、バイオチップの活性表面への多量の流体の送達に関連するものを除き全ての移動部分を排除することを目的とする。これらの流体は、サンプル液、洗浄液、およびバイオチップの再生のために使用される流体を含む。提案される検出のためのスキームは、ラベルフリーの方法であり、目的のタンパク質の測定を可能にするためにサンプルに検出剤が添加される必要のないことを意味する。活性表面の再生は、非破壊的であり、アプタマーまたはSOMAmerからタンパク質を解離するための軽度のバッファーウォッシュのみを必要とする。NV中心は極めて安定であり、アプタマーおよびSOMAmer自体は非常に安定であり、数百回の使用が可能である。 The technique aims to eliminate all moving moieties except those associated with the delivery of large amounts of fluid to the active surface of the biochip. These fluids include sample fluids, cleaning fluids, and fluids used for biochip regeneration. The proposed detection scheme is a label-free method, meaning that no detection agent needs to be added to the sample to allow measurement of the protein of interest. Regeneration of the active surface is non-destructive and requires only a mild buffer wash to dissociate the protein from the aptamer or SOMAmer. The NV center is extremely stable, and the aptamer and SOMAmer itself are very stable and can be used hundreds of times.
より具体的には、サンプル液が活性表面と接触した後、タンパク質を、固定されたアプタマーと結合させるためにいくらかの時間が必要である。この結合時間はまた、タンパク質がバルク液から表面へ拡散するために必要な時間を含み、これは数時間かかり得る。この結合時間の間、サンプル液は静的であり得るが、未結合のタンパク質を表面に近づけるために流体を撹拌または再循環し、それにより拡散する必要がある距離を減らすことがより一般的である。結合ステップが完了した後に、未結合のタンパク質を除去するために表面を洗浄することが一般的である。この洗浄は一般に、リン酸緩衝液などの、サンプル液と類似するバッファー溶液、または蒸留水を用いて行われる。特異性の高い検出が必要とされる場合、洗浄は、高い塩濃度、低濃度(<1M)の尿素などの軽度の変性剤を使用するか、または目的のタンパク質に対する競合剤を含むことにより、より強化され得る。このような競合剤は、たとえばタンパク質と競合するアルブミン、または核酸と競合するヘパリンが、一般的であり得る。様々なバルク形態の核酸、たとえばサケの精子のDNA、またはバルクで合成されたランダムDNAもまた使用され得る。競合相手もまた特有であってよく、たとえば、目的のタンパク質に類似のタンパク質、またはヒトタンパク質と競合する非ヒトのタンパク質の使用がある。結合に関して、洗浄液は静的であり得るかまたは撹拌されてよく、表面からバルク液中への拡散のためにいくらかの時間が必要である。 More specifically, some time is required for the protein to bind to the immobilized aptamer after the sample solution has come into contact with the active surface. This binding time also includes the time required for the protein to diffuse from the bulk fluid to the surface, which can take several hours. During this binding time, the sample fluid can be static, but it is more common to agitate or recirculate the fluid to bring unbound proteins closer to the surface, thereby reducing the distance that needs to be diffused. be. After the binding step is complete, it is common to wash the surface to remove unbound proteins. This washing is generally performed with a buffer solution similar to the sample solution, such as phosphate buffer, or distilled water. If highly specific detection is required, washing may be done by using a mild denaturing agent such as high salt concentration, low concentration (<1M) urea, or by including a competitor to the protein of interest. Can be strengthened. Such competitors may be, for example, albumin, which competes with proteins, or heparin, which competes with nucleic acids. Nucleic acids in various bulk forms, such as salmon sperm DNA, or bulk-synthesized random DNA can also be used. Competitors may also be unique, such as the use of proteins that are similar to the protein of interest, or non-human proteins that compete with human proteins. With respect to binding, the wash solution can be static or agitated and requires some time for diffusion from the surface into the bulk solution.
本技術は、たとえば試験対象のトイレの中といった収集場所でアッセイおよび解析を行うことによりサンプル解析におけるほとんどの不一致を排除する。収集容器(すなわちトイレ)内の新鮮な尿をアッセイおよび解析することは、関連する不一致に加え、サンプルを保存および輸送する必要性を排除する。 The technique eliminates most discrepancies in sample analysis by performing assays and analyzes at collection sites, for example in the toilet under test. Assaying and analyzing fresh urine in a collection vessel (ie, toilet) eliminates the need to store and transport samples, in addition to the associated discrepancies.
消費者のレベルで規定のプロテオミクスを安価に行うこの能力は、科学およびヘルスケアに深い影響を与えるであろう。プロテオミクス科学は、意味のある解析に必要な多数の質の良いサンプルの単純な欠如のため、その可能性に大きく後れを取っている。本技術は、このようなサンプルの収集および解析の両方を著しく容易にする。良好なプロテオミクス科学は、良好な医療の診断予測をもたらす。しかしながら、このような診断予測は、患者由来のサンプル収集および分析が容易でない場合、ヘルスケアにおいてほとんど実用的でない。よって、良好なプロテオミクス科学を提供し、本技術はまた、ヘルスケア科学での容易な使用を提供するであろう。 This ability to cheaply perform prescribed proteomics at the consumer level will have profound implications for science and healthcare. Proteomics science lags far behind its potential due to the simple lack of a large number of quality samples needed for meaningful analysis. The technique significantly facilitates both collection and analysis of such samples. Good proteomics science provides good medical diagnostic predictions. However, such diagnostic predictions are of little practical in healthcare if patient-derived sample collection and analysis are not easy. Thus, it will provide good proteomics science and the technology will also provide easy use in healthcare science.
本技術に係るシステムおよび方法の様々な他の性質は、本開示に記載されている。性質、機能、および利点は、本開示の様々な実施形態において独立して達成され得るか、またはさらなる他の実施形態で組み合わせられてよく、このさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照して理解できる。 Various other properties of the systems and methods according to the technology are described in this disclosure. Properties, functions, and advantages may be achieved independently in the various embodiments of the present disclosure, or may be combined in yet other embodiments, the further details of which may be referred to in the description and drawings below. Understandable.
図1は、ダイヤモンド中の窒素−空孔中心を表す模式図である。その純粋な形態において、ダイヤモンド結晶100は、炭素原子101のみからなる。窒素原子102がダイヤモンド結晶中の炭素原子と置き換わり、結晶中の空孔103に隣接して配置される場合、窒素−空孔中心104が作製される。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a nitrogen-vacancy center in diamond. In its pure form, the
図1でわかるように、各炭素は4つの同一の結合パートナーを有するため、どのように空孔が窒素置換に関連して配置されるかに応じてNV中心の軸が位置し得る4つの結晶学的な方向が存在する。これらは、
NV中心と分子の相互作用は、NV中心に対するの距離だけではなく、この2つの相対的な方向にも依存する。さらに、励起および検出される光に関する光学的な方向が存在する。ダイヤモンド結晶のどの面が検出面として使用されるかを選択する際に、これらの留意事項の全てが考慮されなければならない。 The interaction between the NV center and the molecule depends not only on the distance to the NV center, but also on the relative directions of the two. In addition, there is an optical direction with respect to the excited and detected light. All of these considerations must be taken into account when choosing which plane of the diamond crystal will be used as the detection plane.
窒素−空孔中心は、所定の深度で窒素不純物および空孔を導入すること、次に、窒素不純物に対し拡散を介して空孔を配列させる、1000K〜1300Kで焼きなますことにより、所望の深度でダイヤモンドなどの結晶構造中に埋め込まれ得る。窒素欠陥は、ダイヤモンドマトリックスの化学蒸着(CVD)中の窒素パルスを介するか、または析出が完了した後のイオンビーム注入により、所望の深度で注入され得る。空孔は、e−[54]、H+[55]またはHe+のイオンビームを介して注入または作製され得る。 The nitrogen-vacancy center is desired by introducing nitrogen impurities and vacancies at a predetermined depth and then baking at 1000K to 1300K to arrange the vacancies through diffusion against the nitrogen impurities. It can be embedded in a crystal structure such as diamond at a depth. Nitrogen defects can be injected at the desired depth via nitrogen pulses during chemical vapor deposition (CVD) of the diamond matrix or by ion beam injection after precipitation is complete. Pore can be injected or created via an e- [54], H + [55] or He + ion beam.
天然のダイヤモンドは、約1%の13Cを含み、それは1/2の核スピン(核の常磁性である)を有しよってNV中心と相互作用するため、NV中心の緩和時間は、CVDを使用して既存の結晶上に同位体的に純粋な12Cのダイヤモンドの蒸着層を成長させること、およびこの層内にNV中心を作製することにより、増大され得る。同様に、15Nの1/2核スピンは、14N同位体の核スピン1よりも好ましい。また、窒素置換はスピンを保有するため、NV中心へと変換され得る窒素のパーセンテージが大きいほど、磁気の観点からサンプルはより透明になる。 Since natural diamond contains about 1% 13 C, which interacts with the NV center by having 1/2 the nuclear spin (which is the paramagnetism of the nucleus), the relaxation time of the NV center causes CVD. It can be increased by using to grow an isotope-pure 12 C diamond deposition layer on an existing crystal and to create NV centers within this layer. Similarly, a 1/2 nuclear spin of 15 N is preferred over a nuclear spin 1 of the 14 N isotope. Also, since nitrogen substitutions retain spin, the higher the percentage of nitrogen that can be converted to NV centers, the more transparent the sample is from a magnetic point of view.
適切なCVD条件下では、作製されるNV中心の配向は、著しく偏りがあり得る。すなわち、可能性のある8つ全ての配向が等しく投入されるよりはむしろ単一の配向が、他のものよりも優先的に起こり得る。99%のもの高いアライメントが可能であり得る。このことは、NV中心の全てが同一でありかつ最適に配向され得る装置を作製するために非常に有用であり得る。たとえば、ダイヤモンドの検知表面が(111)面であり、大多数のNV中心が[111]方向に沿って配向され得る場合、これらは全て、検知表面に対し垂直に配向され得る。 Under proper CVD conditions, the orientation of the NV centers produced can be significantly biased. That is, a single orientation can occur in preference to the others, rather than all eight possible orientations being input equally. Higher alignment of 99% is possible. This can be very useful for making devices in which all NV centers can be identical and optimally oriented. For example, if the detection surface of the diamond is the (111) plane and the majority of NV centers can be oriented along the [111] direction, they can all be oriented perpendicular to the detection surface.
本技術のいくつかの実施形態では、さらなる検出電子機器が存在する、シリコンなどの別の基板に付着された非常に薄い層のダイヤモンドを作製することが望ましい。イオン注入に関する別の使用は、たとえば水素原子を使用して、厚いダイヤモンド結晶中に特定の深度で「破壊層(break layer)」を挿入することである。他の基板に厚いダイヤモンド結晶を結合した後に、ダイヤモンドは、機械的に衝撃を与えられてよく、破壊層に沿って破損し、ダイヤモンド結晶の薄い層を残すであろう。同様の技術が、半導体業界ですでに使用されている。 In some embodiments of the technique, it is desirable to make a very thin layer of diamond attached to another substrate, such as silicon, in which additional detection electronics are present. Another use for ion implantation is to insert a "break layer" at a particular depth into a thick diamond crystal, for example using a hydrogen atom. After bonding the thick diamond crystal to another substrate, the diamond may be mechanically impacted and will break along the fracture layer, leaving a thin layer of diamond crystal. Similar techniques are already in use in the semiconductor industry.
図2は、本技術の態様に係る、標的分子検出の略図である。捕捉試薬200は、色中心204のすぐ近くにある基板203(たとえば結晶膜、ダイヤモンド膜、および/または単結晶ダイヤモンドなどの高純度の絶縁体)の表面202に付着される。色中心が励起光208(たとえば光源209からの)で照射される場合、それは、スペクトラムおよび強度により特徴づけられる蛍光210を発するように刺激される。捕捉試薬200は、サンプル液211と接触され(たとえばサンプル液に表面202を曝露することにより)、それにより、サンプル溶液中の標的分析物206(標的分子とも呼ばれる)が捕捉試薬200に結合して複合体212を形成し、それにより、色中心との相互作用214をもたらすかつ/または変化させ、これは、放出された蛍光216の性質(たとえば強度)における検出可能な変化をもたらす。相互作用214において、色中心は、捕捉試薬への標的分子の結合の際に電場の変化または磁場の変化を検出し得る。色中心の性質(たとえば色中心の磁気共鳴またはスピンに関連する性質)は、相互作用214により変えられ得る。
FIG. 2 is a schematic diagram of target molecule detection according to an aspect of the present technology. The
サンプル液は、生体液であり得る。捕捉試薬200は、核酸分子、オリゴヌクレオチド、アプタマー、SOMAmer、または標的分子に結合するように構成された他の任意の結合剤であり得る。いくつかの例では、捕捉試薬は、少なくとも5位が修飾されたピリミジン(すなわち、5位が修飾された、ウリジンまたはシチジンなどのピリミジン)を含む。いくつかの例では、異なる種類の5位が修飾されたピリミジンが、表面に付着される。たとえば、少なくとも1つの5位が修飾されたウリジンおよび少なくとも1つの5位が修飾されたシチジンが表面に付着され得る。
The sample solution can be a biological fluid. The
標的分析物は、タンパク質であり得る。タンパク質は、正常にフォールディングされたポリペプチド鎖、異常にフォールディングされたポリペプチド鎖、アンフォールディングされたポリペプチド鎖、正常にフォールディングされ得るかまたはされなくてもよいポリペプチド鎖のフラグメント、短いポリペプチド、非天然のアミノ酸を組み込むポリペプチド、および翻訳後に修飾される(たとえばリン酸化、グリコシル化、ジスルフィド結合など)ポリペプチド、またはタンパク質複合体中に組み込まれたポリペプチドを含む。標的分析物はまた、代謝物などの生体液中で見出される小分子を含み得る。 The target analyte can be a protein. Proteins are normally folded polypeptide chains, abnormally folded polypeptide chains, unfolded polypeptide chains, fragments of polypeptide chains that may or may not be normally folded, short polypeptides. Includes polypeptides that incorporate unnatural amino acids, and polypeptides that are post-translationally modified (eg, phosphorylation, glycosylation, disulfide bonds, etc.), or integrated into a protein complex. Target analytes may also contain small molecules found in biological fluids such as metabolites.
図3A〜3Bは、色中心がNV中心であり、標的分析物がタンパク質であり、捕捉試薬がアプタマーである、検出技術の2つの見込みのある相互作用機構の略図である。 3A-3B are schematic representations of two promising interactions of detection techniques, where the color center is NV-centered, the target analyte is a protein, and the capture reagent is an aptamer.
図3Aは、本技術の態様に係る、磁気スピンラベルを利用して標的分子を検出するために使用され得る相互作用機構の略図である。安定な有機分子は、通常は反磁性であり、常磁性分子(すなわち「フリーラジカル」)は、対となっていない電子を有し、よってこれらは化学的に活性であり、化学反応を介してスピンを失う傾向にある。生化学的な環境への曝露を免れる安定なフリーラジカルは、例外的である。スピンラベルは、大きな生体分子の部位特異的なスピンラベルのために特に開発された、別の分子、特に核酸およびアミノ酸に結合できる、安定な常磁性有機分子または複合体である。
FIG. 3A is a schematic representation of an interaction mechanism that can be used to detect a target molecule using a magnetic spin label according to an aspect of the present technology. Stable organic molecules are usually diamagnetic, and paramagnetic molecules (ie, "free radicals") have unpaired electrons, so they are chemically active and through chemical reactions. Tends to lose spin. Stable free radicals that escape exposure to the biochemical environment are exceptional. Spinlabel is a stable paramagnetic organic molecule or complex capable of binding to other molecules, especially nucleic acids and amino acids, specifically developed for site-specific spinlabels of large biomolecules.
最もよく使用されるスピンラベルは、核酸に組み込むために開発された、窒素酸化物含有有機小分子、または常磁性金属イオンに対し高親和性で錯体形成するEDTAなどの金属キレーターである。核酸塩基の窒素酸化物誘導体もまた開発されている。近年、トリアリールメチル(トリチル)ラジカル誘導体もまた、タンパク質および核酸の両者をラベルするために一般的になった。デオキシリボ−チミンおよびデオキシリボシトシンの両方のEDTA誘導体は、DNAシンセサイザーでの使用のためにホスホラミダイトの形態で開発されている。スピンラベルがNV中心の緩和時間を単純に変化させるように意図される測定では、磁気の相互作用が存在し、かつ幅広い様々なスピンラベルが適用可能であることが重要である。しかしながら、ラベルのスピンラベルが直接提示される測定では、スピンラベルの個別のスペクトルは関連するようになる。たとえば、DEERでは、スペクトルが狭いほど、かつスピンラベルの寿命が長いほど、より良好となる。具体的な例として、DEERにおいて14Nへの超微細カップリングのためスペクトルのトリプレット分裂は不利であり、重水素化されたトリチルの一本線のスペクトルが好ましい選択である。 The most commonly used spin labels are metal chelators such as EDTA, which have been developed for incorporation into nucleic acids and complex with nitrogen oxide-containing small organic molecules or paramagnetic metal ions with high affinity. Nitrogen oxide derivatives of nucleobases have also been developed. In recent years, triarylmethyl (trityl) radical derivatives have also become popular for labeling both proteins and nucleic acids. Both EDTA derivatives of deoxyribo-thymine and deoxyribocytosine have been developed in the form of phosphoramidite for use in DNA synthesizers. In measurements where the spin label is intended to simply change the relaxation time of the NV center, it is important that there is a magnetic interaction and that a wide variety of spin labels are applicable. However, in measurements where the spin label of the label is presented directly, the individual spectra of the spin label become relevant. For example, in DEER, the narrower the spectrum and the longer the spin label life, the better. As a specific example, triplet splitting of the spectrum is disadvantageous due to the ultrafine coupling to 14 N in DEER, and a single-line spectrum of deuterated trityl is the preferred choice.
図3Aにおいて、磁気スピンラベル300に結合されたアプタマー301は、色中心104のすぐ近くにあるダイヤモンド結晶100の検知表面202に付着される。サンプル溶液中の標的タンパク質302はアプタマーに結合して複合体303を形成し、スピンラベルとNV中心の間の相互作用304に影響を与えるNV中心とスピンラベルの近位の関係を変えることにより、NV中心の蛍光の性質における検出可能な変化をもたらす。
In FIG. 3A, the
より具体的には、図3Aは、ダイヤモンド中のNV中心の近くにスピンラベルされたアプタマーを載置することにより、磁気相互作用を最大限にするように設計された特定の構成を例示する。タンパク質の結合の際の立体構造的な変化は、NV中心に関連してスピンラベルを移動し得る。NV中心により近い移動は、NV中心の磁場を増大させ、NV中心の下位レベルのスペクトルの動的または準静的な特徴の測定可能な変化をもたらす。 More specifically, FIG. 3A illustrates a particular configuration designed to maximize magnetic interaction by placing a spin-labeled aptamer near the NV center in the diamond. Three-dimensional structural changes during protein binding can move the spin label in relation to the NV center. Movement closer to the NV center increases the magnetic field at the NV center, resulting in measurable changes in the dynamic or quasi-static features of the lower level spectrum of the NV center.
下位レベルのスペクトルは、励起光でNV中心を照射し、NV中心からの電磁放射線の放出を検出するように構成された検出器アセンブリを使用して、プロービングされ得る。検出器アセンブリは、下位レベルの共振周波数を含む範囲の周波数にわたるマイクロ波の放射でNV中心を照射し、NV中心により発せられた放射線の変化を検出することにより、下位レベルのスペクトルの変化を検出し得る。共振周波数での放射線は、第1の下位レベルから第2の下位レベルへのNV中心の基底状態の電子の変換を誘導し、これにより、放出された放射線の特徴における変化を誘導し得る。放出された放射線の特徴の一例は、励起光の周波数と放出された光の周波数の間の関係である。さらに、マイクロ波の励起と共にスピンラベルを追加することは、NV中心とのスピンラベルの相互作用を操作するための幅広い選択肢を広げる。 The lower level spectrum can be probed using a detector assembly configured to illuminate the NV center with excitation light and detect the emission of electromagnetic radiation from the NV center. The detector assembly detects changes in the lower level spectrum by illuminating the NV center with microwave radiation over a frequency range that includes the lower level resonant frequencies and detecting changes in the radiation emitted by the NV center. Can be done. Radiation at the resonant frequency can induce the conversion of NV-centered ground-state electrons from the first lower level to the second lower level, thereby inducing changes in the characteristics of the emitted radiation. One example of the characteristics of emitted radiation is the relationship between the frequency of the excitation light and the frequency of the emitted light. In addition, the addition of spin labels with microwave excitation opens up a wide range of options for manipulating spin label interactions with NV centers.
図3Bは、本技術の態様に係る、静電気的相互作用を利用して標的分子を検出するために使用され得る別の相互作用機構の略図である。アプタマー301は、NV中心104のすぐ近くのダイヤモンド結晶100の検知表面202に付着される。陽イオン308および陰イオン309の両方が、分析される流体中に存在する。アプタマーの負に荷電した骨格は、陽イオン308を誘引する。これらの結合したイオンは、NV中心に対し局所的な電場に影響を与え、そのためNV中心が励起光208で照射される際に、それがスペクトルおよび強度により特徴づけられる蛍光310を放出するように刺激される。サンプル溶液中のタンパク質はまた、その電荷によりタンパク質に結合したイオンを有する。このタンパク質は、アプタマーに結合して複合体303を形成し、それにより電荷の分布、よってNV中心に対し局所的な電場を変え、これにより放出された蛍光312の性質における検出可能な変化をもたらす。
FIG. 3B is a schematic representation of another interaction mechanism that can be used to detect a target molecule using electrostatic interactions, according to aspects of the art. The
より具体的には、図3Bは、静電気的相互作用が探索され得る構成を例示する。表面近くの可動電荷の存在は、NV中心の緩和時間に顕著に影響を与える。NV中心自体に結合した負の電荷、およびアプタマーの骨格に結合した負の電荷も存在する。さらに、標的タンパク質自体が荷電され得る。これらの電荷は、溶液中の対イオンによりスクリーニングされる。アプタマーに対するタンパク質分子の結合は、NV中心に対しこの電荷分布を再配置する。さらに、タンパク質分子自体は水より著しく低い誘電率を有し、その存在は、電荷分布のスクリーニングに影響を与える。両方の作用は、NV中心に存在する準静的かつ動的な電場の変化をもたらし、下位レベルのスペクトラムの特徴に影響を与える。 More specifically, FIG. 3B illustrates a configuration in which electrostatic interactions can be explored. The presence of mobile charges near the surface significantly affects the relaxation time at the NV center. There is also a negative charge bound to the NV center itself and a negative charge bound to the skeleton of the aptamer. In addition, the target protein itself can be charged. These charges are screened by counterions in solution. The binding of protein molecules to aptamers rearranges this charge distribution with respect to the NV center. In addition, the protein molecule itself has a significantly lower dielectric constant than water, and its presence affects the screening of charge distribution. Both actions result in quasi-static and dynamic changes in the electric field that reside in the NV center, affecting the characteristics of the lower-level spectrum.
下位レベルのスペクトルの静的または動的な変化が相互作用を支配する度合いは、測定がなされる環境により影響され得る。測定が室温でなされる場合、溶液および分子自体における電荷の可動性は、T1の直接的な測定により特徴付けられ得る顕著な動的変化に寄与することが予測される。対照的に、測定が生体液の氷点を下回る温度でなされる場合、これらの動的変化は抑制され、下位レベルでの静的な分裂の直接的な検出を可能にする。スピンラベルされたアプタマーの場合、凍結された状態で測定を行うことは、スピンラベルの緩和時間を顕著に増大させ、スピンラベルとNV中心の間の距離の変化を直接測定するために使用されるDEER(electron−electron double resonance)のような技術を可能にする。 The degree to which static or dynamic changes in the lower level spectrum dominate the interaction can be influenced by the environment in which the measurements are made. If measurements are taken at room temperature, mobility of charges in the solution and molecules themselves, it is expected to contribute to significant dynamic changes that may be characterized by direct measurement of T 1. In contrast, when measurements are taken at temperatures below the freezing point of the biofluid, these dynamic changes are suppressed, allowing direct detection of static division at lower levels. For spin-labeled aptamers, measurements in the frozen state significantly increase the relaxation time of the spin label and are used to directly measure changes in the distance between the spin label and the NV center. It enables technologies such as DEER (elector-elector double resonance).
NV中心を位置づけるための最適な構成はまた、スペクトルの変化が準静的な変化または動的な変化により支配されるかどうかに依存する。動的変化が支配的であり、かつ直接的なT1測定が使用される場合、NV中心は表面により近い位置にあり、かつ互いにより近く位置付けられ得る可能性がある。他方で、スペクトラムに対する準静的な変化の注意深い測定は、高忠実度のより長い緩和時間(第1のT1)を必要とし、よって、表面からさらに離れておりかつ互いに十分に分離されているNV中心を必要とする。表面からのNV中心の距離は、アプタマーとその結合標的の相互作用を最大限にすることと、準静的な電場および磁場のNV感受性の検出器を作製する長い緩和時間を保つこととの間の折衷案である。 The optimal configuration for positioning the NV center also depends on whether the spectral changes are dominated by quasi-static or dynamic changes. If the dynamic change is dominant, and a direct T 1 measurements are used, NV center is located at a position closer to the surface, and there is a possibility that may be positioned closer together. On the other hand, careful measurement of quasi-static changes to the spectrum requires a longer relaxation time of high fidelity (first T 1 ), thus being further away from the surface and well separated from each other. Requires NV center. The distance of the NV center from the surface is between maximizing the interaction between the aptamer and its binding target and maintaining a long relaxation time to create a quasi-static electric and magnetic field NV sensitive detector. It is a compromise of.
図3A〜3Bは、磁場および電場が分析物の結合の際にNV中心の変化をもたらす支配的なものである、相互作用の2つの限界を研究した。SELEXプロセスがSOMAmerの作製のゆっくりとした解離をスクリーニングするために修正された際と同じように、本明細書中記載されるものなどの装置に候補のアプタマーを結合させ、標的結合に対するNV中心の応答を測定するためのステップが、その後の選択ラウンドに追加され得る。この方法では、結合イベントの際にシグナルのコントラストを最大限にするSOMAmerが、最大化され得る。 Figures 3A-3B study two limitations of interaction, where magnetic and electric fields are the dominant ones that result in changes in the NV center upon coupling of the analyte. As when the SELEX process was modified to screen for slow dissociation of SOMAmer production, the candidate aptamers were bound to devices such as those described herein and NV-centric to target binding. Steps for measuring response may be added to subsequent selection rounds. In this method, the SOMAmer that maximizes the contrast of the signal during the binding event can be maximized.
図4は、本技術の態様に係る、ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心の電子エネルギーレベル、およびこれらのレベル間の遷移の略図である。より具体的には、図4は、ダイヤモンド中の負に荷電したNV中心の電子エネルギーレベル、およびこれらのレベル間の遷移の単純化された概略である。NV中心での電子の基底状態399は、3つの下位レベル(下位状態(substatesまたはstates)とも呼ばれる)を含む。ゼロスピンの下位レベル400は、最小のエネルギーを有し、|3A2,0>と表される。ms=+1およびms=−1のスピンの下位レベル402は、外場の非存在下で同一のエネルギーを有し、|3A2,±1>と表される。
FIG. 4 is a schematic representation of the electron energy levels at the center of nitrogen vacancy (NV) in diamond and the transitions between these levels according to aspects of the art. More specifically, FIG. 4 is a simplified outline of the electron energy levels of negatively charged NV centers in diamond and the transitions between these levels. The
外場は、ms=±1のスピン状態に影響を与えるが、ms=0のスピン状態に影響を与えず、ms=−1のスピン状態のエネルギーを低下させ、ms=+1のスピン状態のエネルギーを上昇させる。たとえば、NV中心の対称軸と並んで配列される1027ガウスの磁場は、室温で、|3A2,−1>のレベルを|3A2,0>レベルに低下させる。NV中心のすぐ近くの磁気スピンラベルの存在は、同様ではあるが、著しく小さい作用を有する。修正周波数404(たとえば共振周波数)のマイクロ波での照射は、基底のms=0のスピン状態から基底のms=±1のスピン状態への遷移を誘導する。|3E,0>と表される、基底のms=0のスピン状態から励起されたms=0のスピン状態への遷移406、または|3E,±1>と表される、基底のms=±1のスピン状態から励起されたms=±1のスピン状態への遷移408は、修正周波数208の励起光での照射により誘導され得る。
External field, m s = affects the spin state of ± 1, without affecting the spin state of the m s = 0, to lower the energy of the spin state of the m s = -1, the m s = + 1 Increases the energy of the spin state. For example, a magnetic field of 1027 Gauss arranged along the axis of symmetry of the NV center reduces the level of | 3 A 2 , -1> to the | 3 A 2 , 0> level at room temperature. The presence of a magnetic spin label in the immediate vicinity of the NV center has a similar but significantly smaller effect. Irradiation with a microwave at a modified frequency of 404 (eg, resonance frequency) induces a transition from a spin state of basal ms = 0 to a spin state of basal ms = ± 1. | 3 E, denoted 0>, the transition to the spin state 406 m s = 0 from spin excited in m s = 0 of the base or, | 3 E, denoted ± 1>, base the m s = transition from spin state of ± 1 to the excited m s = spin state of ± 1 408 may be induced by irradiation with excitation
励起状態から対応する基底状態への遷移は、赤色光子418の放出により達成される。あるいは、励起状態から基底状態への遷移は、大部分または全て遷移が光子の放出を全く伴うことなくまたはより長い波長の赤外線光子の放出412のみを伴い達成されるため、いわゆる「ダーク遷移(dark transition)」410を介して起こり得る。ダーク遷移410は、ダイヤモンド格子により吸収される赤外線範囲の光子412の放出を伴い、または光子放出の全くない経路414に沿って達成され得る。大部分の場合では、ダーク遷移は、|3E,±1から|3A2,0>へのスピンの遷移416をもたらす。|3E,±1>レベルの遷移上の電子の約30%が、ダーク遷移を介して基底状態に遷移し、検出可能な光子の放出をもたらす。このため、ms=±1のスピン状態の電子は、ms=0のスピン状態の電子の蛍光の約70%のみをもたらす。
The transition from the excited state to the corresponding ground state is achieved by the emission of
さらにより具体的には、図4は、負に荷電したNV中心に関する知見および計算と一致する概略的なエネルギーレベルの構造を示す。6つの電子が、C3V対称性(静的な格子構造により課される)の基底状態の「分子の軌道」に位置している。これらの軌道は、ダイヤモンドのバンド構造の計算と一致する4つの軌道の直線状の組み合わせである。エネルギー的に、図3で3A2とラベルされたこの基底状態は、バンドギャップにおける深いレベルの状態である。3Eとラベルされる第1の励起状態は、基底状態を超える1.94eVである。それほど局所化されない場合、それは伝導体からさらに1eV超離れる。2つのバンド状態の間の1.94eVの差異は、図4に示される観察された638nmのゼロフォノンの吸収および放出線に対応する。 More specifically, FIG. 4 shows a schematic energy level structure consistent with the findings and calculations for negatively charged NV centers. Six electrons are located in the ground state "molecular orbital" of C3V symmetry (imposed by a static lattice structure). These orbitals are a linear combination of four orbitals that are consistent with the calculation of the diamond band structure. Energetic, this ground state, labeled 3 A 2 in FIG. 3, is a deep level state in the bandgap. 3 a first excited state to be E and the label is 1.94eV above basal state. If not so localized, it is further away from the conductor by more than 1 eV. The difference of 1.94 eV between the two band states corresponds to the observed 638 nm zero-phonon absorption and emission lines shown in FIG.
基底状態および励起状態の両方はS=1のスピントリプレットであるが、以降は本出願人らは、基底状態の磁気の下位レベルのみに焦点を当てる。よって図3での扱いにくい状態の記載を使用するよりは、本出願人らは多くの場合単純に、ms=0、またはms=±1の状態を指し、これは、本出願人らが基底状態を指していると理解される。 Both the ground state and the excited state are spin triplets with S = 1, but from now on, Applicants will focus only on the lower levels of magnetism in the ground state. Therefore than using the description of unmanageable state in FIG. 3, the present applicants have simply often refers to the state of the m s = 0 or m s = ± 1,, which is the applicants Is understood to refer to the ground state.
適用される場がない場合、基底状態でのms=0およびms=±1の下位レベルの縮退は、NV中心軸に沿った大きな零電界スプリッティング(zero field splitting)(2.88GHz)により最初に高められ、6つの電子の強く非球形の波動関数を反映する。適用される磁場および/または電場の存在下では、ms=0およびms=±1の下位レベルはさらに分裂される。NV中心軸と平行な場では、分裂は、磁場ではガウスあたり2.8MHzであり、電場ではV/mあたり3.5mHzである。この図面は、縮尺通りのエネルギー差を表すものではなく、磁気の下位レベルの分裂は、基底状態および励起状態の間の主要な分裂(1.95eV)より小さい約5桁の大きさである。 If there is no applicable place, the degeneracy of the m s = 0 and m s = ± 1 in the lower level in the ground state, a large null field along the NV center axis splitting (zero field splitting) by (2.88GHz) First enhanced, it reflects the strongly non-spherical wavefunction of the six electrons. In the presence of the applied magnetic field and / or electric field, the lower levels of m s = 0 and m s = ± 1 are further split. In a field parallel to the NV central axis, the split is 2.8 MHz per gauss in a magnetic field and 3.5 MHz per V / m in an electric field. This drawing does not represent the energy difference at scale, and the lower level splits of magnetism are about five orders of magnitude smaller than the major splits (1.95 eV) between the ground and excited states.
基底状態の下位レベル400および402と励起状態406および408の間の遷移は、視認可能な範囲で存在し、NV中心の興味深い光ルミネセンスの性質をもたらす。図5は、本技術の態様に係る、室温でのNV中心の光の吸収および放出の例示的なスペクトルを表す。吸収スペクトル500は、約570nmでピークに達し、どのように効率的に所定の波長の光子がNV中心により吸収されるかを示している。放出スペクトル502は約690nmでピークに達し、所定の波長で放出される光の相対的な強度を示す。吸収スペクトルでのいずれかの波長の光子の吸収は、放出スペクトルでのいずれかの波長の光子の放出をもたらし得る。予測される別の波長由来のスペクトルの拡散は、振動性エネルギーの分子格子への消散、または分子格子からの熱的エネルギーの吸収によるものである。両スペクトルは、吸収される光子および放出される光子のエネルギーが同一であるピーク504を共有する。このピークは、ゼロフォノン線と呼ばれ、ここでこれらのスペクトルは、大気温度が絶対的な0に達しかつ格子の振動が凍結されるので収束する。
The transition between the lower levels 400 and 402 of the ground state and the excited states 406 and 408 is visible and results in an interesting photoluminescence property of the NV center. FIG. 5 represents an exemplary spectrum of light absorption and emission of NV centers at room temperature according to aspects of the art. The
より具体的には、吸収スペクトルおよび放出スペクトルの両方は、強い吸収係数、励起状態に関する短い(約4ns)の寿命、および実質的に非退色の強い蛍光をもたらす広いフォノンの広がりを示す。直接的な吸収および放出の経路は、Sおよびmsの両方を荷電されないままにする(吸収された光子または放出された光子の角モーメントは、「分子の」軌道の運動量の変化により相殺される)。対照的に、強いフォノンのカップリングはまた別の崩壊経路(中間の系の交差を介する)を可能にし、それは図3の右側に示されるように、msを1つ変える。この崩壊経路は複数の中間状態を経て、放出されるいずれかの光子エネルギーは、直接的な経路によりもたらされる光子と比較してさらに赤外部にある。よって、これは、多くの場合、「ダーク経路(dark path)」と呼ばれ、ms=0の下位レベルから励起されるものよりもms=±1の下位レベルから励起される電子に関し高い可能性で採用される。基底状態のms=0の下位レベルから励起された電子に関する正味の結果は、ms=±1の下位レベルから励起されるものと比較してより高い視認可能な蛍光強度である。 More specifically, both the absorption and emission spectra show a strong absorption coefficient, a short (about 4 ns) lifetime with respect to the excited state, and a wide phonon spread resulting in substantially non-fading strong fluorescence. Route direct absorption and release, angular momentum of the S and m s remain to both uncharged the (absorbed photons or emitted photons may be offset by the momentum of change in trajectory "molecular" ). In contrast, strong phonon coupling allows for another decay path (via the intersection of intermediate systems), which alters ms by one, as shown on the right side of FIG. This decay path goes through multiple intermediate states, and any photon energy emitted is further in the infrared compared to the photons brought about by the direct path. Thus, this is often referred to as the "dark path" and is higher for electrons excited from the lower level of m s = ± 1 than those excited from the lower level of m s = 0. Adopted by possibility. The net result for electrons excited from the ground state ms = 0 lower level is higher visible fluorescence intensity compared to those excited from the ground state ms = ± 1 lower level.
図6は、本技術の態様に係る、NV中心の光学的な読み取りおよびスピン偏極の略図である。励起パルス600は、窒素−空孔中心を照射し、パルスの放出602を刺激する。放出パルスの最初の強度604、Istartは、パルスの最小のポイントであり、測定の開始時のms=0およびms=±1の状態の相対的な集合を表す。この強度は、スピン状態がms=0の状態に対して偏極となる際に、最大強度606、Imaxへと迅速に上昇する。
FIG. 6 is a schematic view of optical reading and spin polarization of the NV center according to aspects of the present technology. The
磁気の下位レベルの集合の変化は、まさに電子スピン共鳴(EPR)を介して観察されるものであり、ここで印加されるマイクロ波の励起の周波数はmsの下位レベルの分裂と一致する。蛍光強度は、上述の下位レベルの集合に依存し、NV中心上の基底状態の磁気共鳴(ODMR)の光学的な検出を可能にする。本出願人らは引き続きODMR検出に言及しているが、NV中心における光電流の直接的な電気的検出が例証されており、別の検出機構として作用し得ることに留意されたい。 Change of the set of magnetic lower level is exactly is what is observed through the electron spin resonance (EPR), the frequency of the excitation of the microwave applied here is consistent with the division of the lower level of the m s. Fluorescence intensity depends on the lower level set described above and allows optical detection of ground state magnetic resonance (ODMR) on the NV center. Applicants continue to refer to ODMR detection, but note that direct electrical detection of photocurrents at the NV center is illustrated and can act as another detection mechanism.
従来の磁気共鳴は、連続的なまたはパルス状のマイクロ波/RF電磁場を適用して、同時に多数(>1013)のスピンの磁気の下位レベル間の遷移を誘導するかこれら下位レベルを混合し、すなわち、温度に依存する巨視的(アンサンブル平均)な磁化で作動する。ゼロの絶対温度で、全てのスピンはそれらの最低のエネルギー下位レベルにあり、この系の磁化は最大であり、よってこの状態は、100%スピンが偏極している。有限温度では、下位レベルの集合はボルツマン統計にしたがい、温度の上昇に伴いアンサンブル平均の分極を減少させる。室温では、下位レベル間のエネルギー差が非常に小さいため、異なる磁気の下位レベルの集合は、おおむね等しく、わずか0.1%の分極をもたらす。 Traditional magnetic resonance applies a continuous or pulsed microwave / RF electromagnetic field to simultaneously induce transitions between the magnetic sublevels of multiple (> 10 13) spins or mix these sublevels. That is, it operates with a temperature-dependent macroscopic (ensemble average) magnetization. At zero absolute temperature, all spins are at their lowest energy lower level and the magnetization of this system is maximum, so this state is 100% spin-polarized. At finite temperature, the lower level set decreases the ensemble average polarization as the temperature rises, according to Boltzmann statistics. At room temperature, the energy difference between the lower levels is so small that the sets of lower levels of different magnetism are roughly equal, resulting in a polarization of only 0.1%.
下位レベルの集合の差異から発生する磁化は、縦磁化と呼ばれ、または従来Z軸が量子化軸と平行に選択されるため磁化のz成分と呼ばれる。いずれかの温度で、縦磁化は、スピンの分極に比例する平衡値を有する。磁化のXY成分である横磁化は、混合状態(固有状態はZ方向に沿って位置する)のアンサンブル平均である。その平衡値はゼロである。 The magnetization generated from the difference in the lower level set is called longitudinal magnetization, or is called the z component of magnetization because the conventional Z axis is selected parallel to the quantization axis. At either temperature, the longitudinal magnetization has an equilibrium value proportional to the spin polarization. The transverse magnetization, which is the XY component of the magnetization, is the ensemble average of the mixed state (the eigenstate is located along the Z direction). Its equilibrium value is zero.
下位レベルの遷移または混合状態(一時的な横磁化のゼロではないアンサンブル平均を伴う)は、下位レベルの分裂のエネルギーEと一致する光子エネルギーでRF/マイクロ波電磁場を適用することにより作製され得る。対応する周波数は、E=hfL(式中hはプランク定数であり、fLはラーモア周波数として知られる)により定義される。混合状態(およびよってアンサンブル平均横磁化)は、ラーモア周波数で歳差運動(precess)(回転)する。通常、この回転する巨視的磁化により誘導されるEMFは、コイルまたは共鳴装置を介して検出される。 Lower-level transitions or mixed states (with a non-zero ensemble average of transient transverse magnetization) can be created by applying an RF / microwave electromagnetic field with photon energies consistent with the lower-level splitting energy E. .. The corresponding frequency is defined by E = hf L (where h is Planck's constant and f L is known as the Larmor frequency). The mixed state (and thus the ensemble average transverse magnetization) precesses (rotates) at the Larmor frequency. Usually, the EMF induced by this rotating macroscopic magnetization is detected via a coil or a resonator.
混合状態の作製の後、横磁化のシグナルは、原則的に2つの理由のため時間の経過とともに崩壊する:
1.個々のスピンは、歳差運動の最中に異なる場または変化する場を経験し、すなわち、msの下位レベルのエネルギー差は異なり、それにより混合状態の歳差運動の周波数は、わずかに異なる。これらが同相で歳差運動を開始する一方で、相の差異が歳差運動の周波数の差異により構築され、アンサンブル平均(ベクトルの合計)横磁化はゼロに進む。歳差運動する巨視的磁気モーメントはゼロに崩壊するため、必然的に誘導されるシグナルも崩壊する。「位相のコヒーレンス」の喪失により引き起こされるこの崩壊の特性時間は、T2または横方向の緩和時間と呼ばれる。より詳細な実験では、静的な場の差異(すなわちサンプルにわたる磁場の不均一性)による崩壊は排除され、測定中の動的な変化のみを反映する崩壊時間がしたがって、相記憶時間(phase memory time)TMと呼ばれる。この形式での横磁化の喪失は、環境とのエネルギー交換を必要としない。
2.有限温度で、スピンは、環境とエネルギー交換を行い、1つの下位レベルから別の下位レベルへと変換(flip)し得、すなわち、固有状態は、環境との相互作用により有限の寿命を有する。より正確には、環境によりもたらされる流動的(時間依存的)な電磁場は、状態の変化を誘導するように横方向のゼロではないラーモア周波数の場の成分を有する必要がある。これらの変化の結果として、歳差運動する横磁化は、磁化がz(または縦)方向に戻る際に喪失する。このプロセスに関連する特性時間(固有状態の熱的平衡集合分布へ戻るために必要な時間)はT1もしくは縦緩和と呼ばれ、または、それが環境とのエネルギー交換を必要とするため、スピン−格子緩和時間と呼ばれる。このプロセスは、T2およびTmなどの、いずれかの歳差運動崩壊時間に上限を課す。
After the creation of the mixed state, the signal of transverse magnetization decays over time in principle for two reasons:
1. 1. Each spin, experienced a place for different field or changes during the precession, i.e., the energy difference between the lower level m s are different, whereby the frequency of precession of the mixed state are slightly different .. While they initiate precession in phase, the phase difference is constructed by the frequency difference of the precession, and the ensemble average (total vector) transverse magnetization progresses to zero. Since the macroscopic magnetic moment that precesses collapses to zero, the inevitably induced signal also collapses. The characteristic time of this decay caused by the loss of "phase coherence" is called T 2 or lateral relaxation time. In more detailed experiments, decay due to static field differences (ie, magnetic field inhomogeneity across the sample) is eliminated, and decay times that reflect only dynamic changes during the measurement are therefore phase memory. time) is referred to as T M. Loss of transverse magnetization in this form does not require energy exchange with the environment.
2. At finite temperatures, spins can exchange energy with the environment and flip from one sublevel to another, i.e., eigenstates have a finite lifetime due to their interaction with the environment. More precisely, the fluid (time-dependent) electromagnetic field provided by the environment needs to have a non-zero Larmor frequency field component in the lateral direction to induce a change in state. As a result of these changes, the precessing transverse magnetization is lost as the magnetization returns in the z (or longitudinal) direction. Characteristic time associated with this process (the time required to return to thermal equilibrium set distribution eigenstates) is called T 1 or longitudinal relaxation, or it requires a energy exchange with the environment, spin -Called the lattice relaxation time. This process imposes an upper limit on the time of any precession collapse, such as T 2 and T m.
従来のEPR検出とは異なり、ODMRは、縦磁化を検出する。しかしながら、横方向およびその利点の喪失は、大幅な感受性の増加により著しく補完され:低エネルギーの磁気の下位レベルの遷移が、ほぼ完全な量子効率で、1000,000倍超のエネルギーを伴い光子を介して観察され得る。 Unlike conventional EPR detection, ODMR detects longitudinal magnetization. However, the lateral and loss of its benefits are significantly complemented by a significant increase in susceptibility: low-energy magnetic low-level transitions with near-perfect quantum efficiency and photons with energies greater than 1,000,000 times. Can be observed through.
ODMR検出を可能にすることに加え、単離されたNV中心において、msに依存的な蛍光はまた、下位レベルの集合の操作をも可能にする。これは、磁気の下位レベルの寿命が、蛍光の寿命よりもはるかに長いためである。十分に高い励起強度では、蛍光率は蛍光の寿命によってのみ限定され、100MHz以上であり得る。たとえば基底状態のms=±1の下位レベルからの励起が、その量子数を保持するw=0.7の確率およびダーク経路を介してms=0の下位レベルに戻る0.3の確率を有する場合、10サイクル後にms=0の状態のスピンのいずれかを見出す確率は、98%であり、すなわち98%のスピン分極が、巨視的なサンプルについて構成され得る。NV中心のT1は通常100マイクロ秒よりはるかに長いため、十分に強い100nsのパルスが、室温から0.3Kにダイヤモンドを冷却することに相当するスピン分極を作製し得る。ほぼ完全にスピンが偏極した状態で任意の磁気共鳴測定を開始することは、室温での平衡スピン分極での開始と比較して、シグナルにおける100倍増大である。 In addition to allowing ODMR detection, in isolated NV centers, dependent fluorescence m s also allows the operation of a set of lower level. This is because the lower level lifetime of magnetism is much longer than the lifetime of fluorescence. At sufficiently high excitation intensities, the fluorescence rate is limited only by the lifetime of the fluorescence and can be 100 MHz or higher. For example, the probability that excitation from the lower level of ground state m s = ± 1 will retain its quantum number w = 0.7 and the probability of returning to the lower level of m s = 0 via the dark path 0.3. The probability of finding any of the spins in the m s = 0 state after 10 cycles is 98%, i.e. 98% spin polarization can be constructed for a macroscopic sample. Since the NV-centered T 1 is usually much longer than 100 microseconds, a sufficiently strong 100 ns pulse can create spin polarization equivalent to cooling the diamond from room temperature to 0.3 K. Initiating any magnetic resonance measurement with nearly completely polarized spin is a 100-fold increase in signal compared to starting with equilibrium spin polarization at room temperature.
スピンの集合を偏極する同じパルスはまた、図6に示されるようにスピン分極の測定としても作用する。最大蛍光は、サンプルがms=0の下位レベルにおいて100%のスピンが偏極される際に生じる。本出願人らは、最大蛍光強度をImaxと定義する。本出願人らが、上記の例からの確率を使用し、本出願人らが熱的平衡で開始していることを想定する場合、t=0で励起光がオンになる際に、蛍光応答は、最大効率で蛍光を発するms=0の下位レベルの集合の1/3、および70%の効率(1/3+2/3*0.7=0.8)で蛍光を発するms=±1の状態の2/3に対応する、Imaxの80%である。この強度は、励起光の強度により決定される比率で、Imaxに漸近的に達する。 The same pulse that polarizes the set of spins also acts as a measure of spin polarization, as shown in FIG. Maximum fluorescence occurs when the sample is polarized at 100% spin at the lower level of ms = 0. Applicants define the maximum fluorescence intensity as I max. Assuming that Applicants use the probabilities from the above example and that Applicants start in thermal equilibrium, the fluorescence response when the excitation light is turned on at t = 0. Is fluorescing at maximum efficiency 1/3 of the lower level set of m s = 0, and fluorescing at 70% efficiency (1/3 + 2/3 * 0.7 = 0.8) m s = ± It is 80% of I max , which corresponds to 2/3 of the state of 1. This strength is a ratio which is determined by the intensity of the excitation light reaches the asymptotic to I max.
この場合、ms=0の下位レベルの最初の分極、P0は、
上記で解析されたw=0.7の事例では、Istart=Imaxの場合、P0=1である。Istart=0.7*Imaxである場合、P0=0である。Istart=0.8*Imaxである場合、P0=1/3である、などである。 In the case of w = 0.7 analyzed above, when I start = I max , P 0 = 1. When I start = 0.7 * I max , P 0 = 0. When I start = 0.8 * I max , P 0 = 1/3, and so on.
上記にまとめられているNV中心の固有の性質は、市販の蛍光顕微鏡を使用して単一のNV中心の蛍光を検出できる実験の設定を構築することが容易であることを意味する。NV中心は、数百ナノメートルごとに分離できるため、顕微鏡で観察される単一のNV中心の蛍光は、単一のスピンの磁気の下位レベルの全ての分光学的な情報を包有する。単一のスピンが観察される場合、従来のEPR測定の場合でのようなアンサンブル平均は存在しないが、アンサンブル平均と単一のスピンの時間平均との間の直接的な対応は依然として存在する。これらの2つを関連づけるために、アンサンブル平均の分極の値は、下位レベルの確率と置き換えられる必要があり、すなわち、巨視的なアンサンブルの98%のms=0のスピン分極をもたらす光学的な励起パルスが、98%の確率でms=0の状態の単一のNV中心を見出すことに変換される。高い蛍光、迅速な反復および十分な時間平均化のおかげで、統計誤差が少なく合理的に短い実験時間が達成され得る。 The unique properties of NV centers summarized above mean that it is easy to construct experimental settings that can detect fluorescence of a single NV center using a commercially available fluorescence microscope. Since NV centers can be separated by hundreds of nanometers, the fluorescence of a single NV center observed under a microscope contains all the spectroscopic information at the lower levels of magnetism in a single spin. When a single spin is observed, there is no ensemble average as in the case of conventional EPR measurements, but there is still a direct correspondence between the ensemble average and the time average of a single spin. To relate these two, the ensemble average polarization value needs to be replaced with a lower level probability, i.e., an optical that results in 98% of the macroscopic ensemble's spin polarization of m s = 0. The excitation pulse is transformed into finding a single NV center with a probability of m s = 0 with a 98% probability. Thanks to high fluorescence, rapid repetition and sufficient time averaging, reasonably short experimental times can be achieved with few statistical errors.
NV中心の性質は、時間領域磁気共鳴に十分に適している:100%偏極した最初の状態、単一の中心の感受性の検出、および長い緩和時間、さらに洗練された高分解能の分光法のために今まで発明された全ての時間領域rf/マイクロ波パルスシーケンスが適用され得るという事実は、単一のNV中心を、利用可能な最も感受性のある量子測定ツールにする。 The nature of the NV center is well suited for time domain magnetic resonance: 100% polarized initial state, detection of sensitivity of a single center, and long relaxation time, more sophisticated high resolution spectroscopy. The fact that all time domain rf / microwave pulse sequences ever invented for this can be applied makes a single NV center the most sensitive quantum measurement tool available.
図7A〜7Bは、完全に光学的な測定を介して緩和時間、T1を測定するための手段を表す。ms=±1のスピンの下位レベルは、ms=0の下位レベルの約70%の蛍光強度で放出し、これにより、均等に分割される場合、総蛍光強度は、スピンがms=0の下位レベルへと完全に偏極される場合の約80%である。図6でのような一連のパルスは、ms=0およびms=±1の下位レベルの相対的な集合を評価するための、ならびにスピンをms=0の下位レベルへと再偏極するための測定を可能にする。 FIG 7A~7B is relaxation time via a fully optical measurement, represents the means for measuring the T 1. The lower level of spin of m s = ± 1 emits at a fluorescence intensity of about 70% of the lower level of m s = 0, so that when evenly divided, the total fluorescence intensity is m s = spin. It is about 80% of the case where it is completely polarized to the lower level of 0. A series of pulses, such as in FIG. 6, are used to evaluate the relative set of lower levels of m s = 0 and m s = ± 1 and to repolarize the spin to the lower level of m s = 0. Allows measurements to be made.
図7Aは、本技術の態様に係る、NV中心に関連する光学的な励起パルス708および放出パルス710の略図である。ダイヤモンド中のNV中心は、それぞれがms=0の下位レベルへのNV中心の完全な分極をもたらすために十分に長い期間である、一連の励起光のパルスで照射される。これらの励起パルスの間の間隔τiは多様である。励起パルスの開始直後の蛍光強度(塗られた四角形(filled square)I0,I1…)が、スピン状態がms=0の下位レベルで完全に偏極されるはずである場合にとられる、参照強度(開かれた長方形(open rectangles))と同様に、測定される。
FIG. 7A is a schematic representation of the
図7Bは、本技術の態様に係る、結合した標的分子の非存在下および存在下での時間の関数としての強度を比較する、NV中心の放出強度のグラフ表示である。より具体的には、図7Aにおいて最初の強度と参照強度との間の差異が、これらの間の時間間隔τiの関数としてプロットされており、下位レベルが熱的平衡に戻るまでにどの程度の時間が必要とされるかを示している。強度=I0*exp(−τ/T1)の指数関数的な適合は、T1の直接的な測定をもたらす。データ点700は、より迅速な平衡への戻りを示しており、よってこれらの指数関数的な適合702は、データ点704およびそれらの指数関数的適合706よりも短いT1をもたらす。異なるT1値は、アプタマーに結合しているかまたは結合していない分析物の結果として生じる。
FIG. 7B is a graphical representation of the emission intensity of NV centers comparing the intensity as a function of time in the absence and presence of bound target molecules according to aspects of the art. More specifically, the difference between the first intensity and the reference intensity in FIG. 7A, is plotted as a function of the time interval tau i between them, how until lower levels return to thermal equilibrium Indicates if time is needed. The exponential fit of intensity = I 0 * exp (−τ / T 1 ) results in a direct measurement of T 1.
より具体的には、図7A〜7Bにおいて、NV中心を光学的に偏極させるために十分な期間および強度の一連の励起パルスが、これらの間の様々な待機時間で適用される。この励起波長は、ゼロフォノン線よりも短く、実際には、532nmが多くの場合使用される。励起パルスが適用されると同時に、NV中心からの放出が、放出スペクトラム502の一部または全てを含むバンド幅でモニタリングされる。
More specifically, in FIGS. 7A-7B, a series of excitation pulses of sufficient duration and intensity to optically depolarize the NV center are applied with various waiting times between them. This excitation wavelength is shorter than the zero-phonon line, and in practice 532 nm is often used. At the same time that the excitation pulse is applied, the emission from the NV center is monitored with a bandwidth that includes part or all of the
最初に、基底状態は、熱的に平衡化され、よって蛍光の最初のレベルI0は、ms=±1およびms=0の状態がほぼ等しく存在するため、最大可能Imよりも少ないレベルに対応する。最初のパルスの過程にわたり、放出は、ms=0の状態が上述される動的なスピン分極プロセスにより存在するようになるにつれて、最大値に成長しImで飽和する。待機時間の後、第2のパルスが適用される。待機時間が十分短い場合、周辺環境との相互作用は、基底状態の集団を平衡化するための十分な時間を有さず、ms=0がなお多く存在し、よって測定される最初の放出強度I1は、依然として最大値Imに近い。
First, the ground state is thermally equilibrate, thus the first level I 0 of fluorescence, because the state of the m s = ± 1 and
スピン分極は、残りの第2のパルスの間に再度起こり、この状態は、再度ms=0および対応するImの強度に偏極される。より長い待機時間がその後続き、全プロセスが、再度反復される。このプロセスは結果的に反復されるため、待機時間は、NV中心の緩和時間よりも実質的に長くなり、基底状態は、熱的に平衡化され、3つ全ての下位レベルは、等しく存在し、測定される最初の放出は、再度I0と等しくなる。
Spin polarization is again occurs during the remainder of the second pulse, this state is polarized to the intensity of the
待機時間の関数として最初の放出強度I1、I2、I3…をプロットすることにより、図7Bでのものなどのグラフが作成され得る。グラフに対する適合は、NV中心の緩和時間T1をもたらし得る。図7Bは、2つのデータセットの例および異なるT1値に対応するそれらの各適合を示す。この測定順序は、標準的なパルス化磁気EPR実験で使用されるものと非常に類似しており、最初の状態が、マイクロ波のπパルスにより調製される反転した熱的平衡の磁化−M0であり、後期の時間の値が、別のマイクロ波のπ/2パルスにより開始されるマイクロ波の放射を検出することにより読み取られる。しかしながら、この場合、磁場またはマイクロ波のアンテナまたは共鳴装置が必要とされないため、測定がかなり単純化される。 By plotting the initial emission intensities I 1 , I 2 , I 3 ... As a function of waiting time, a graph such as that shown in FIG. 7B can be created. Fit to the graph may result in a relaxation time T 1 of the NV centers. 7B illustrate the adaptation thereof corresponding to the example and different value of T 1 of the two data sets. This measurement sequence is very similar to that used in standard pulsed magnetic EPR experiments, where the initial state is the inverted thermal equilibrium magnetization-M 0 prepared by the microwave π pulse. The late time value is read by detecting the microwave emission initiated by another microwave π / 2 pulse. However, in this case, no magnetic or microwave antenna or resonator is required, which greatly simplifies the measurement.
マイクロ波に加え、より詳細な測定技術が可能になる。たとえば、上述される完全に光学的なT1測定の場合、すべての分極する光パルスの直後に追加されたマイクロ波のπパルス(零電界スプリッティングの周波数およびNV中心の対称軸と垂直に配向された場を伴う)は、ms=0の状態についてゼロの最初の集団を提供する。マイクロ波のパルスを伴う測定および伴わない測定を交互に行い、それらの差異をプロットおよび適合することにより、残りの(熱的平衡)シグナルの値の適合を必要とせずにT1を測定できる。これは、外部の磁場の非存在下でのms=+/−1の状態が縮退している(等しいエネルギー)ため、とても単純に作用することに留意されたい。 In addition to microwaves, more detailed measurement techniques will be possible. For example, if a fully optical T 1 measurements described above, is oriented perpendicular to the axis of symmetry of the frequency and NV centers of π pulse (zero field splitting of the added microwave immediately after all polarization optical pulses (With a field) provides the first population of zeros for the m s = 0 state. It was measured not measured and without involving pulse microwave alternately, by their differences plots and adapted, capable of measuring T 1 without requiring adaptation of the values of the remaining (thermal equilibrium) signal. This, m s = + / in the absence of an external magnetic field - the first state is degenerate (equal energy) for, it should be noted that the act very simple.
外場を追加することは、測定の可能性をさらに増大させる。外部の静的な場H0が課される場合、ms=+/−1の状態のエネルギーレベルは分裂し、よってms=0からms=+1およびms=からms=−1への遷移が異なる周波数のマイクロ波の励起に応答する。適用される場が小さいかまたはNV中心の対称軸と平行である限り、光学的な応答は変化せず、読み取りのために使用され続け得る。ms=0の状態の光学的な分極は、実験にとって理想的な開始点として作用し続け、より後の時間での光学的励起パルスの間に測定される最初の蛍光強度は、ms=0の下位レベルの集団を測定するために使用され得、すなわち、感受性のある縦方向の検出として作用し得る。最初の分極と検出の間の時間間隔は変動し得、マイクロ波パルスの周波数により選択されるレベルの間で下位レベルの分光法を行うために使用され得る。外部の電場もまた下位レベルを分裂し、外部の磁場よりも使用され得ることに留意されたい。 Adding an external field further increases the possibility of measurement. If an external static field H 0 is imposed, m s = + / - energy level of the first state divide, thus m from m s = 0 s = + 1 and m s = from m s = -1 The transition to responds to the excitation of microwaves of different frequencies. As long as the applied field is small or parallel to the axis of symmetry of the NV center, the optical response does not change and can continue to be used for reading. The optical polarization in the m s = 0 state continues to act as an ideal starting point for the experiment, and the first fluorescence intensity measured during the optical excitation pulse at a later time is ms = 0. It can be used to measure a lower level population of 0, i.e., it can act as a sensitive longitudinal detection. The time interval between initial polarization and detection can vary and can be used to perform lower level spectroscopy between levels selected by the frequency of the microwave pulse. Note that the external electric field can also split the lower levels and be used more than the external magnetic field.
単純なハーンエコー、CPMG(Carr−Purcell−Meiboom−Gill)からMREV−8の範囲にある全ての既知のマイクロ波パルスシーケンスが、NV中心のコヒーレンス時間を探索する、すなわち、ミリ秒の時間間隔でミリガウスの数十分の1までの小さな場の変動を決定するために使用され得る。これらの測定の前提条件は、長いT1であり、表面から離れた(15〜20nm)NV中心だけでなく、アプタマー、タンパク質、およびイオンの動きを凍結すること、すなわち試験される液体を凍結することを必要とする。 All known microwave pulse sequences in the range from a simple Hahn echo, CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) to MREV-8, search for NV-centric coherence time, i.e. at millisecond time intervals. It can be used to determine small field variability up to a few tenths of a milligauss. Prerequisites for these measurements is a long T 1, away from the surface (15-20 nm) NV center well, freeze aptamers, proteins, and the movement of ions, to freeze the liquid that is being tested Need that.
さらに、アプタマーに付着されるスピンラベルと、タンパク質捕捉により誘導されるNV中心との間の距離の変化は、DEER(Double Electron − Electron Resonance)実験で測定され得る。NVの下位レベルの歳差運動を反転させつつスピンラベル上のスピンを反転させるために異なる周波数で第2のマイクロ波の励起を適用して、スピンの反転による歳差運動の周波数の差異を高い精度で検出でき、最大20nmのナノメートル以下の精度の距離の測定を可能にする。必要とされる距離にわたりDEERを行うために、アプタマー上のNV中心およびスピンラベルの緩和時間は、ミリ秒の桁であることが必要であり、試験される液体を凍結することが再度必要である。 In addition, the change in distance between the spin label attached to the aptamer and the NV center induced by protein capture can be measured in a DEER (Double Electron-Electron Response) experiment. Applying a second microwave excitation at different frequencies to reverse the spin on the spin label while reversing the lower level precession of the NV, increasing the frequency difference of the precession due to spin reversal. It can be detected with accuracy and enables measurement of distances with an accuracy of up to 20 nm and nanometers or less. In order to perform DEER over the required distance, the relaxation time of the NV center and spin label on the aptamer needs to be in the order of milliseconds and it is necessary to freeze the liquid to be tested again. ..
上述のように、NV中心間の横方向分離は、NV中心間の顕著な相互作用を予防するために、たとえば100nm超などのように大きくてよい。しかしながら、アプタマーは、小さく、数ナノメートルの桁であり、よって、本出願人らは、2つの異なる認識を区別している。第1の認識では、アプタマーは表面に密集して結合され、それにより、いずれかの所定のNV中心が、NV中心の範囲の相互作用内で無作為に分布された複数のアプタマー部位と相互作用し、よって、複数の部位にわたり平均相互作用変化を測定する。 As mentioned above, the lateral separation between NV centers may be large, for example above 100 nm, to prevent significant interactions between NV centers. However, aptamers are small, in the order of a few nanometers, so Applicants distinguish between two different perceptions. In the first recognition, aptamers are densely bound to the surface so that any given NV center interacts with multiple aptamer sites randomly distributed within the interaction of the NV center range. Thus, mean interaction changes are measured across multiple sites.
第2の可能性では、部位特異的な界面化学が、アプタマー部位と根底にあるNV中心との間の1:1の対を確実にするために使用される。これは、NV中心に存在する電荷により影響を受ける界面化学を使用することにより、またはNV中心の蛍光により、達成され得る。この構成は、単一のタンパク質の感受性および的確な標的タンパク質と非特異的なバインダーを区別する性質を提供するほぼ同一の測定部位をもたらす利点を有する。分子ごとのはいまたはいいえの決定に基づき統計を集めるこの能力は、同数のNV中心を前提として、第2の構成が優れた分解能および動的範囲を提供し得ることを意味する。 In the second possibility, site-specific surface chemistry is used to ensure a 1: 1 pair between the aptamer site and the underlying NV center. This can be achieved by using surface chemistry that is affected by the charge present at the NV center or by fluorescence at the NV center. This configuration has the advantage of providing nearly identical measurement sites that provide the sensitivity of a single protein and the property of distinguishing between the exact target protein and the non-specific binder. This ability to collect statistics based on a molecular yes or no decision means that the second configuration can provide excellent resolution and dynamic range, given the same number of NV centers.
本技術の目的の1つは、各個別のタンパク質に特異的なアプタマーを使用することにより同時に複数のタンパク質の濃度を測定することである。これを達成できる少なくとも2つの基本的に異なる方法が存在する。 One of the purposes of the present technique is to measure the concentration of a plurality of proteins at the same time by using an aptamer specific for each individual protein. There are at least two fundamentally different ways in which this can be achieved.
第1の可能性のある検出パラダイムでは、いずれかの所定のタンパク質標的について、独立した検出器によりそれぞれが測定される、多数の個別のNV中心およびアプタマー部位が存在する。これは、多数の単一NV中心実験を効率的に行う。NV中心とアプタマー部位の間の1:1の対形成がさらに存在する場合、結合したタンパク質の数を計測して特異的な標的タンパク質の濃度を表す単数をもたらすことができる。 In the first possible detection paradigm, there are numerous separate NV centers and aptamer sites, each measured by an independent detector, for any given protein target. It efficiently performs a number of single NV center experiments. If there is an additional 1: 1 pairing between the NV center and the aptamer site, the number of bound proteins can be counted to yield a singular that represents the concentration of the specific target protein.
第2の可能性のある検出パラダイムでは、所定のタンパク質標的に関する多数のNV中心およびアプタマー部位が、単一の検出器により同時に測定される。これは、分子ごとの識別の利点を放棄し、標的タンパク質の濃度を定量化するための較正曲線を作成することを必要とするが、それは必要とされる装置の複雑さを低減し得る。 In the second possible detection paradigm, multiple NV centers and aptamer sites for a given protein target are measured simultaneously by a single detector. This abandons the advantage of molecular identification and requires the creation of a calibration curve to quantify the concentration of the target protein, which can reduce the complexity of the equipment required.
各事例において、理想的には全てのNV中心は、同時に励起されおよび検出されるが、しかしながら、それは異なるアプタマーは異なる応答を有し得るという事実に対処するために複数の測定プロトコルを使用することを排除しない。 In each case, ideally all NV centers are excited and detected at the same time, however, it uses multiple measurement protocols to address the fact that different aptamers can have different responses. Do not exclude.
両事例において、ダイヤモンド(またはより一般的には結晶)表面の異なる部分が、異なるタンパク質の濃度を測定するために特化される。しかしながら、必要とされる検出器の数において差異が生じる。たとえば、10,000個のタンパク質の濃度を検出することは、第1の事例では108個程度の検出器を必要とし得るが、第2の事例ではわずか10,000個の検出器のみを必要とする。 In both cases, different parts of the diamond (or more generally crystal) surface are specialized for measuring the concentration of different proteins. However, there are differences in the number of detectors required. For example, to detect the concentration of 10,000 protein, in the first case may require 10 about eight detectors, but in the second case requires only slight 10,000 detector And.
図8A〜Dは、本技術に基づきバイオチップをプロービングするための異なる構成を表す。(111)で終結するダイヤモンド表面に近い[111]方向に沿って存在する同一のNV中心は、測定される全てのNV中心が同等でありかつ大部分の感度のある検出領域がNV中心の真上に位置しているため、理想的な構成であるが、どの配向のダイヤモンド結晶が容易に製造され得るかなどの他の制約がこれを可能にしない場合がある。いくつかの装置の構成は、他のものよりもこの状況を許容する。 8A-D represent different configurations for probing biochips based on the present technology. For the same NV center located along the [111] direction near the diamond surface ending at (111), all measured NV centers are equivalent and most sensitive detection regions are true of the NV center. Due to its location on top, it is an ideal configuration, but other constraints, such as which orientation of diamond crystals can be easily produced, may not make this possible. Some device configurations allow this situation more than others.
図8Aは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置の第1の例示的な構成を表す。最も単純な構成において、アプタマー301は、検知表面202の下に所定の深度で位置する窒素−空孔中心104のすぐ近くにあるダイヤモンド結晶100の表面に付着される。励起光208により誘導または刺激される蛍光放射光418の性質が、タンパク質−アプタマー複合体800の存在を検出するために測定される。タンパク質の存在は、窒素−空孔中心の1つ以上の性質の変化を誘導し、この変化は、窒素−空孔中心からの蛍光放射に基づき検出される。
FIG. 8A represents a first exemplary configuration of a device for detecting a target molecule according to an aspect of the present technology. In the simplest configuration, the
図8Aに示される構成は、上述の全ての光学的なT1測定を行うために必要とされる全てである。これは、NV中心の等価性に関して最も厳しくない条件を課す。全ての8つの異なる可能なNV中心の配向を伴う(100)ダイヤモンド表面が使用され得る。この場合、NV中心の対称軸は、この表面に直角ではなく、これは理想的ではないが、8つ全ての配向は、同じ量だけずれており、よってNV中心は同等に機能する。欠点の1つは、双極子−双極子の相互作用の細部により、NV中心の真上の磁気の相互作用が最小化され、よって大部分の感受性のある相互作用領域は、各NV中心から横方向にいくらか離れて配置されることである。これは、電気的相互作用には当てはまらない。またこの配向は、ダイヤモンド内部で内面的に反射される光を使用する光学的な励起および読み取りにとっても理想的ではない。しかしながらこれは、両者の間の適切な妥協案を表すものであり、製造することがより容易なダイヤモンド表面の使用を可能にする。 Configuration shown in Figure 8A, is all that is required to perform all of the optical T 1 measurements described above. This imposes the least stringent conditions for NV-centric equivalence. A (100) diamond surface with all eight different possible NV center orientations can be used. In this case, the axis of symmetry of the NV center is not perpendicular to this surface, which is not ideal, but all eight orientations are offset by the same amount, so the NV center functions equally. One of the drawbacks is that the details of the dipole-dipole interaction minimize the magnetic interaction directly above the NV center, so most sensitive interaction regions are lateral from each NV center. It is to be placed some distance in the direction. This does not apply to electrical interactions. This orientation is also not ideal for optical excitation and reading using light that is internally reflected inside the diamond. However, this represents an appropriate compromise between the two, allowing the use of diamond surfaces, which are easier to manufacture.
図8Bは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置の別の例示的な構成である。(A)で表された構成に、マイクロ波の放射802がマイクロ波アンテナ804によりダイヤモンド表面に方向づけられる、マイクロ波供給源806が追加される。マイクロ波供給源は、ゼロ電解スプリッティングの周波数(2.89GHz)と一致しており、かつマイクロ波の磁場の角度が全てのNV中心に対して同じであることを確保する方向で、図8Bのように追加されて、測定の精度も支援し得る。蛍光放射光418の強度が測定されてよく、ダイヤモンド内の色中心の共鳴の挙動は、測定される強度とマイクロ波の放射802の周波数との間の関係に基づき同定され得る。
FIG. 8B is another exemplary configuration of a device for detecting a target molecule according to an aspect of the present technology. A
図8Cは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置のさらなる別の例示的な構成を表す。(B)で表される構成に、外部の磁場812がダイヤモンド表面に課される磁場供給源810が追加される。図8C上で記載されるように外部の静的な場H0を追加することは、位相のコヒーレンス(T2)の測定のため必要とされ得る。
FIG. 8C represents yet another exemplary configuration of a device for detecting a target molecule according to an aspect of the present art. A magnetic
図8Dは、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置のさらなる別の例示的な構成を表す。(C)で表される構成に、第1のマイクロ波供給源806と同じマイクロ波アンテナ804を共有する第2のマイクロ波供給源808が追加される。図8Dで示される第2の(独立した周波数)マイクロ波供給源は、DEER実験を行うためのスピンラベルに必要とされ得る−全てのマイクロ波の磁場は理想的には、H0に対してほぼ垂直であることに留意されたい。高い磁場では、場と平行なNV中心のみが光学的に読み取られ得るため、この構成は理想的には、上述の[111]方向に沿って配列されたNV中心を有する(111)表面を使用する。全てのNV中心の配向が等しく投入された場合、それらの75%は使用できない。光学的な励起および蛍光放射は、理想的には、NV軸とほぼ平行である。
FIG. 8D represents yet another exemplary configuration of a device for detecting a target molecule according to an aspect of the present art. A second microwave supply source 808 that shares the
非同等なNV中心(投入された8つ全てが異なる配向を伴う(100)で終結される結晶のような)の場合、可能性のある解決策は、これらに対して適切にアライメントされた場でNV中心の1/8のみを使用し、異なる場の配向およびマイクロ波の周波数を適用することによりこれらの全てを連続して処理することである。別の可能性のある解決策は、共鳴磁場で「フィールドサイクリング(field cycling)」として知られるものを使用することである。この場合、大きな場(たとえばゼロ電解スプリッティングより2倍以上大きい)が、マイクロ波の作動の間[100]軸に沿って適用され、光学的な分極および検出を行う間にゼロに切り替えられ得る。 For non-equivalent NV centers (such as crystals ending at (100) where all eight input have different orientations), a possible solution is a field that is properly aligned for these. All of these are processed in succession by using only 1/8 of the NV center in and applying different field orientations and microwave frequencies. Another possible solution is to use what is known as "field cycling" in a resonant magnetic field. In this case, a large field (eg, more than twice as large as zero electrolytic splitting) can be applied along the [100] axis during microwave operation and switched to zero during optical polarization and detection.
図9は、本技術の態様に係る、標的分子を検出するための装置899のさらなる別の例示的な構成を表す。より具体的には、図9は、本発明に基づき統合されたバイオチップの略図である(縮尺通りではない)。この図は、スピンラベル、アプタマー、および窒素−空孔中心を利用する検出技術の一実施形態を表しているが、他の検出技術の実施形態が可能である。バイオチップは、4つの層:捕捉層900、ダイヤモンド層902、フィルター層904、および統合された検出および処理層906から構成される。捕捉層900は、磁気スピンラベル300に結合されるSOMAmer301がその上に付着される、ダイヤモンド層の表面を通って目的の標的分子206(たとえば標的タンパク質302)を含むサンプル液を方向付けるチャネルから構成される。
FIG. 9 represents yet another exemplary configuration of
捕捉層における機構は、同一のSOMAmerがその上に付着されるダイヤモンド層の検知表面の領域である。各機構は、別々のタンパク質分析物に特異的な1つ以上のSOMAmerを含み、ダイヤモンド層中のNV中心の結合した集合ならびに統合された検出および処理層中の個別の光検出器に、x−y座標(図9)で対応する。 The mechanism in the capture layer is the region of the detection surface of the diamond layer on which the same SOMAmer is attached. Each mechanism contains one or more SOMAmers specific for separate protein analytes, and x-to the combined assembly of NV centers in the diamond layer and the individual photodetectors in the integrated detection and treatment layer. Corresponds with the y coordinate (Fig. 9).
各SOMAmer301または他の捕捉試薬200は、特定の種類または種の標的分子206に結合するように構成された特定の種類または種の捕捉試薬であり得る。捕捉試薬の種は、捕捉試薬の官能基に結合し得る。捕捉層900は、少なくとも2つの異なる種に属する捕捉試薬200を含み得、これにより少なくとも2種の標的分子206が、バイオチップ装置により検出され得る。いくつかの実施形態では、捕捉層900は、多数の種、たとえば数百種、数千種、またはそれより多い捕捉試薬を含む。
Each
本発明のいくつかの好ましい実施形態は、スピンラベルを含まない。SOMAmer分子へのタンパク質分子の結合は、SOMAmerと近位の窒素−空孔中心104の間の相互作用304に変化をもたらし、このような変化は、蛍光放射216を介して検出される。界面化学およびSOMAmerは、アプタマーへのタンパク質標的の結合の際に、相互作用において大きな相対的差異をもたらすように最適化される。
Some preferred embodiments of the invention do not include spin label. Binding of the protein molecule to the SOMAmer molecule results in a change in the
ダイヤモンド層は、化学蒸着により製作される純度の高いダイヤモンドから構成され、その中にNV中心104の層が表面からの所定の固定された距離105で埋め込まれる。いくつかの例では、深度としても表され得る、所定の固定された距離は、5〜20ナノメートル、または15〜20ナノメートルの範囲である。ダイヤモンド層内のNV中心は、所定の固定された深度よりも大きな距離ごとに分けられ、これらの間の相互作用が、表面上の分子との相互作用と比較して小さいことを確保する。NV中心の層の厚さは、所定の固定された深度と比較して小さい。窒素−空孔中心とSOMAmerの間の距離は、SOMAmerへのタンパク質の結合の際の相互作用の変化が、可能でありかつ/または検出できるよう十分小さいように選択される。外部の磁場812が存在し得る。ダイヤモンド層は、100%12Cダイヤモンドを含み得る。
The diamond layer is composed of high-purity diamond produced by chemical vapor deposition, in which the layer of the
励起光208(レーザーなどの光源によりもたらされる)は、NV中心の蛍光を刺激する。外部のマイクロ波802は、これらの下位レベル間の基底状態の電子を遷移する。フィルター層は、層状化した誘電体から構成されて2色性バンドパスフィルター912を形成し、これは片側でダイヤモンド層902、もう一方の側で統合された検出および処理層906に接着される。全ての他の波長を遮断しつつNV中心からの放射光を通すことに加え、フィルター層904はまた、通常からの狭い範囲の角度の外側にある放射光を遮断し、それにより、隣接するNV中心間の検出におけるクロストークを最小化する。
The excitation light 208 (provided by a light source such as a laser) stimulates fluorescence at the NV center.
フィルター層は、窒素−空孔中心の放出波長(680nm)あたりの狭いバンドパスフィルターであるように設計される。さらに、フィルター層は、隣接する機構間のクロストークを最小化するために、通常から狭いバンドの角度の外側にある光を遮断する。フィルター層はまた、ダイヤモンド層と統合された検出および処理層の間の機械的な結合として機能する。光学的に透明で機械的に厳格な接着剤が、上面でダイヤモンド層にフィルター層を接合するために、および下部で統合された検出および処理層にフィルター層を接合するために使用され得る。フィルター層は、特定の波長の光を遮断するための波の干渉の原則に依存する誘電体の層から構築される。フィルター層の設計および製作は、本技術の範囲外にある。 The filter layer is designed to be a narrow bandpass filter per emission wavelength (680 nm) at the nitrogen-vacancy center. In addition, the filter layer blocks light that is normally outside the narrow band angle to minimize crosstalk between adjacent mechanisms. The filter layer also acts as a mechanical bond between the diamond layer and the integrated detection and treatment layer. An optically transparent and mechanically rigorous adhesive can be used to bond the filter layer to the diamond layer on the top surface and to bond the filter layer to the integrated detection and treatment layer at the bottom. The filter layer is constructed from a layer of dielectric that relies on the principle of wave interference to block light of a particular wavelength. The design and manufacture of filter layers is outside the scope of this technology.
統合された検出および処理層906は、電子的イベントカウンター918を駆動する高速の電子ゲート916を駆動するCMOSのアバランシェ光検出器914から構成される。光検出器914はまた、検出器アセンブリとも称され得る。本技術では、検出器アセンブリは、1つ以上の周波数の励起光で色中心を照射し、かつ色中心からの電磁放射線の放出を検出するように構成され得る。イベントカウンターの出力は、分析のため収集される。指定された座標920は、x座標およびy座標が上部のダイヤモンド層の表面の面にあり、かつz座標がこの表面に直行するように選択される。光源により放出される範囲の波長(すなわち励起光208のスペクトル)は、光検出器914により検出される範囲の波長と同じであってよく、または同じでなくてもよい。励起光の波長の範囲は、光検出器914が検出するように構成された範囲の波長と部分的に重複してよくまたは実質的に重複していなくてもよい。
The integrated detection and
統合された検出および処理層は、リソグラフィー生産のために設計されてよく、電子的構成要素およびそれらの間の接続の両方を含む。統合された検出および処理層は、リソグラフィーを使用して製作されてよく、光学的に透明な接着剤を使用して、フィルター層(またはフィルター層が除外される場合はダイヤモンド層)に付着され得る。統合された検出および処理層は、光検出器層、ゲーティング層、A−D(アナログ−デジタル)層、および蓄積したデータをプロセッサに移動させるためのバスから構成され得る。図9はこれらの層がz方向に分布されるように表しているが、このような配置は必要でない。 The integrated detection and processing layer may be designed for lithographic production and includes both electronic components and the connections between them. The integrated detection and processing layer may be made using lithography and may be adhered to the filter layer (or diamond layer if the filter layer is excluded) using an optically transparent adhesive. .. The integrated detection and processing layer may consist of a photodetector layer, a gating layer, an AD (analog-digital) layer, and a bus for moving the stored data to the processor. Although FIG. 9 shows these layers distributed in the z direction, such an arrangement is not necessary.
光検出器層は、アバランシェフォトダイオードのアレイを含んでよく、各フォトダイオードが捕捉層上の単一の機構に特化され、かつx座標およびy座標においてこの機構と関連している。各フォトダイオードは、ゲーティング層中の高速電子ゲートと関連し得る。NV中心からの蛍光の変化は、マイクロ秒以下のスケールであり得、よって、これら強度の変化をモニタリングするために、非常に短く定義された時間枠でのみ光を収集することが必要である。各ゲートは今度は、イベントカウンター層中のイベントカウンターに関連し、それが光子の計測を実際に行う。各イベントカウンターからのデータは、データ解析のためプロセッサに送達される。 The photodetector layer may include an array of avalanche photodiodes, each photodiode specialized for a single mechanism on the capture layer and associated with this mechanism in x and y coordinates. Each photodiode may be associated with a fast electron gate in the gating layer. Changes in fluorescence from the NV center can be on a microsecond or less scale, so it is necessary to collect light only in a very short defined time frame to monitor these changes in intensity. Each gate is now associated with an event counter in the event counter layer, which actually makes photon measurements. The data from each event counter is delivered to the processor for data analysis.
図9の捕捉層の機構(すなわちSOMAmerが付着されるダイヤモンド層の検知表面の領域)が構築され得る、少なくとも3つの配置の例が存在し、それぞれが異なる利点を提供する。第1の例では、単一のSOMAmerは、単一のNV中心と関連しており、それが今度は単一の光検出器と関連している。このような設定は、検出の観点において利点を提供するが、NV中心のまたは単一のSOMAmerの載置の正確な制御を必要とする。この形式の構築の主な利点は、それが個々に基づく分子の検出を提供することであり、これは、アンサンブル検出で失われるであろう結合の特徴に基づく第3の次元の特異性(結合親和性および洗浄の後で)を可能にする。さらに、標的分子は1つずつ計測され得、いくつかの較正ステップを排除する。この形式の主な欠点は、異なる濃度間を区別するために多数のこのような機構が必要とされることである。濃度における桁違いの差異を分割することは、単一の分析物に対して(所定のレベルの解決に基づき)数百または数千のこのような特性機構を必要とし、装置の複雑さを増大し得る。 There are at least three examples of arrangements in which the capture layer mechanism of FIG. 9 (ie, the region of the detection surface of the diamond layer to which the SOMAmer is attached) can be constructed, each offering different advantages. In the first example, a single SOMAmer is associated with a single NV center, which in turn is associated with a single photodetector. Such a setting provides advantages in terms of detection, but requires precise control of NV-centric or single SOMAmer placement. The main advantage of this form of construction is that it provides individual-based molecular detection, which is a third dimension of specificity (binding) based on the binding characteristics that would be lost in ensemble detection. Allows after affinity and washing). In addition, the target molecules can be measured one at a time, eliminating some calibration steps. The main drawback of this form is that a number of such mechanisms are required to distinguish between different concentrations. Separating orders of magnitude difference in concentration requires hundreds or thousands of such characteristic mechanisms (based on a given level of resolution) for a single analyte, increasing the complexity of the instrument. Can be done.
第2の例示的な形式の構築物は、複数のNV中心の集合に関連し、よって単一の光検出器に関連する同種の複数のSOMAmerの集合を含む。x−y面でのNV中心の無作為な分布(図9に定義される)および機構の集合におけるSOMAmerの無作為な分布は、光検出器での平均化されたシグナルをもたらし、これはより安定なはずである。ある範囲の濃度もまた、複数のSOMAmerにより、単一の光検出器で定量化され得る。しかしながら、単一のSOMAmerまたはNV中心の代わりにこのような集合を使用することは、第1の形式により可能となった第3の次元の特異性を妨げ、流体中の標的タンパク質の濃度にNV中心の応答を相関させるための較正曲線の作成を必要とする。 A second exemplary form of construct relates to a set of multiple NV centers and thus includes a set of multiple SOMAmers of the same type associated with a single photodetector. The random distribution of NV centers in the xy plane (as defined in FIG. 9) and the random distribution of SOMAmer in the set of mechanisms yielded an averaged signal at the photodetector, which is more It should be stable. Concentrations in a range can also be quantified by multiple photodetectors with a single photodetector. However, the use of such an aggregate instead of a single SOMAmer or NV center hinders the specificity of the third dimension made possible by the first form and NV to the concentration of the target protein in the fluid. It is necessary to create a calibration curve to correlate the response of the center.
第3の形式の構築物は、第1の形式および第2の形式のハイブリッドであり、単一のNV中心に関連し、これが今度は単一の光検出器に関連する、同じ種類の複数のSOMAmerの集合を含む。第2の形式と同様に、ある範囲の濃度が、複数のSOMAmerにより、単一の光検出器で定量化でき、これもまた平均化されたシグナルをもたらす。単一のNV中心の使用は、より明確なシグナルをもたらし得る。無作為に分布されたNV中心は、x−y面に光学的に位置し得、その後同じ位置でSOMAmer集合を載置する。 A third form of construct is a hybrid of the first and second forms, associated with a single NV center, which in turn relates to a single photodetector, multiple SOMAmers of the same type. Contains a set of. Similar to the second form, a range of concentrations can be quantified by multiple SOMAmers with a single photodetector, which also yields an averaged signal. The use of a single NV center can provide a clearer signal. Randomly distributed NV centers can be optically located on the xy plane, after which the SOMAmer set is placed at the same position.
図10は、サンプル液中の標的分子を検出するための例示的な方法1000で行われるステップを表し、この方法の完全なプロセスまたは全てのステップを表さなくてもよい。方法1000の様々なステップが後述され、図10に表されるが、これらのステップは、必ずしも全て行われる必要はなく、場合によって同時に、または示された順序以外の異なる順序で行われ得る。
FIG. 10 represents the steps performed in the
ステップ1002では、本方法は、サンプル液と捕捉試薬を接触させることを含む。捕捉試薬は、表面(たとえば結晶膜または基板、または単結晶ダイヤモンドの表面)に付着され、所望の標的分子に結合するように構成される。捕捉試薬は、表面により捕捉されるか、表面に結合されるか、表面に付着されるか、表面に繋留されるか、かつ/または表面に固定されるように記載され得る。標的分子は、限定するものではないが、タンパク質などの本開示に記載される標的分子を含む、捕捉試薬と結合する性質を有するいずれかの標的分子であり得る。同様に、捕捉試薬は、いずれかの適切な捕捉剤であり得る。これは、限定するものではないが、アプタマー、核酸分子、または少なくとも1つの5位が修飾されたピリミジンを有する核酸分子(SOMAmerなど)などの、本開示に記載される捕捉試薬のいずれかを含む。いくつかの例では、少なくとも1つの5位が修飾されたウリジンおよび少なくとも1つの5位が修飾されたシチジンを含む、少なくとも2つの異なる5位が修飾されたピリミジンが、表面に付着される。
In
ステップ1004では、本方法は、励起光で表面近くに(たとえば結晶膜の中の固定深度で)配置された色中心を照射することを含む。励起光は、色中心により蛍光放射を(たとえば中心の波長または帯域幅の選択を介して)誘導するように構成される。いくつかの例では、色中心は、ダイヤモンド結晶の窒素−空孔中心であり、この表面は、ダイヤモンド結晶の表面である。 In step 1004, the method comprises irradiating the excitation light with a color center located near the surface (eg, at a fixed depth in the crystal film). The excitation light is configured to induce fluorescence radiation (eg, through selection of the wavelength or bandwidth of the center) by the color center. In some examples, the color center is the nitrogen-vacancy center of the diamond crystal, and this surface is the surface of the diamond crystal.
ステップ1006では、本方法は、1つ以上の検出器(たとえば、図9に関連して上述された統合された検出および処理層の光検出器)を使用して蛍光放射の強度を測定することを含む。
In
ステップ1008で、本方法は、蛍光放射の強度の変化を検出することを含む。捕捉試薬に対する標的分子の結合に応じた強度の変化、よって放出された強度における変化は、標的分子の存在を表す。
At
任意選択で、ステップ1010で、本方法は、第1の下位状態から第2の下位状態への色中心における基底状態の電子の変換を誘導できる周波数のマイクロ波の放射で色中心を照射することを含み得る。たとえば、マイクロ波の放射は、基底状態のゼロスピンの下位状態と基底状態の非ゼロスピンの下位状態との間のエネルギー差に対応する共振周波数を含み得る。ステップ1008で標的分子の結合に応じた蛍光放射の強度の変化を検出することは、測定される蛍光放射の強度とマイクロ波の放射の周波数との間の関係に基づき色中心の共振挙動を同定することをさらに含み得る。たとえば、標的分子の結合は、第1の下位状態と第2の下位状態の間の共振周波数の変化を誘導し得る。共振周波数における変化は、マイクロ波の放射の周波数を変動させつつ測定される蛍光放射の強度に基づき同定され得る。
Optionally, in step 1010, the method irradiates the color center with microwave radiation at a frequency that can induce the conversion of ground state electrons at the color center from the first substate to the second substate. May include. For example, microwave radiation may include a resonant frequency corresponding to the energy difference between the ground state zero-spin substate and the ground state non-zero-spin substate. Detecting changes in the intensity of fluorescent radiation in response to binding of target molecules in
図11は、標的分子の濃度を測定するための例示的な方法1100で行われるステップを表し、この方法の完全なプロセスまたは全てのステップを表さなくてもよい。方法1100の様々なステップが後述され、図11に表されるが、これらのステップは必ずしも行われる必要がなく、場合により、同時に、または示された順序以外の異なる順序で行われ得る。
FIG. 11 represents the steps performed in the
ステップ1102で、本方法は、結晶膜(たとえば特にダイヤモンド膜)の表面に流体を曝露して、表面に付着されている捕捉試薬を、流体内の標的分子(たとえば特にタンパク質)に結合させるステップを含む。結晶膜は、窒素−空孔中心または他の適切な欠陥などの、少なくとも1つの色中心を含む。
In
ステップ1104で、本方法は、膜内の少なくとも1つの色中心からの蛍光放射を誘導するように構成された励起光で結晶膜を照射することを含む。任意選択で、ステップ1104は、第1の下位状態から第2の下位状態への色中心での基底状態の電子の変換を誘導できる周波数を有するマイクロ波の放射で色中心を照射することを含む。
At
ステップ1106で、本方法は、蛍光放射に基づき色中心の性質における変化を検出することを含む。色中心における性質の変化は、捕捉試薬による標的分子の結合に応じて生じる。いくつかの例では、捕捉試薬は、標的分子と捕捉試薬の間の結合が色中心で磁場を変えるように、磁気スピンラベルを含む。色中心における性質の変化は、少なくとも部分的に、磁場の変化によりもたらされ得る。
At
ステップ1108で、本方法は、検出される色中心における性質の変化に基づき流体内の標的分子の濃度を決定することを含む。たとえば、検出された変化の特徴は、膜の表面へと捕捉試薬により結合された標的分子の数または近似数を表し得、流体内の標的分子の濃度は、標的分子の数および流体の体積から推定され得る。
At
図12は、標的分子を検出するための例示的な方法1200で行われるステップを表し、この方法の完全なプロセスまたは全てのステップを表さなくてもよい。方法1200の様々なステップが後述され、図12に表されるが、これらのステップは必ずしも行われる必要がなく、場合により、同時に、または示された順序以外の異なる順序で行われ得る。
FIG. 12 represents the steps performed in the
ステップ1202で、本方法は、基板の表面に付着されている捕捉試薬がサンプル液に存在すると予測される標的分子に結合できるように、結晶基板(たとえばダイヤモンド膜)をサンプル液に曝露することを含む。結晶基板は、ダイヤモンド中の窒素−空孔中心などの、少なくとも1つの色中心を含む。標的分子は、タンパク質、または本開示のいずれかに記載される他のいずれかの標的分子であり得る。同様に、捕捉試薬は、所望の標的分子に特異的に結合するのに適したいずれかの分子であり得、アプタマー、SOMAmerなどを含み得る。いくつかの例では、捕捉試薬は、少なくとも2つの明らかに異なる5位が修飾されたピリミジンを含むアプタマーである。
In
ステップ1204で、本方法は、電磁放射線で結晶基板を照射することを含む。電磁放射線は、結晶基板内の色中心により蛍光を刺激または誘導するように構成される。中心周波数、帯域幅、強度、パルスエネルギー、パルス持続期間、および/または分極を含む、電磁放射線の特徴は、少なくとも部分的に、放出された蛍光の特徴を決定するように設計され得る。
At
ステップ1206で、本方法は、たとえば1つ以上の光検出器により、色中心により放出される蛍光を検出することを含む。
At
ステップ1208で、本方法は、サンプル液由来の1つ以上の標的分子を捕捉試薬に結合することによりもたらされる1つ以上の色中心の性質における変化を同定することを含む。たとえば、この変化を同定することは、色中心により放出される放射線のスペクトルにおける変化を同定すること、たとえば色中心により放出される蛍光放射線を検出することを含み得、放出される蛍光の強度、一時的なバリエーション、またはスペクトルにおける変化を同定することを含み得る。
At
図13は、サンプル液におけるタンパク質分子の存在を検出するための装置を製造するための例示的な方法1300のステップを表し、この方法の完全なプロセスまたは全てのステップを表さなくてもよい。方法1300の様々なステップが後述され、図13に表されるが、これらのステップは必ずしも行われる必要がなく、場合により、同時に、または示された順序以外の異なる順序で行われ得る。方法1300の態様は、たとえば、図9に表される統合されたバイオチップを製造するために使用され得る。
FIG. 13 represents the steps of
ステップ1302で、本方法は、たとえば化学蒸着により、結晶膜を製作することを含む。たとえば、12Cを多く含むダイヤモンド膜が、ダイヤモンド基板上でのメタンおよび水素ガスの混合物のプラズマCVD(plasma−enhanced chemical vapor deposition)により生産され得る。
At
ステップ1304で、本方法は、結晶膜中に置換原子を埋め込むことを含む。置換原子は、色中心を形成するために結晶膜中の空孔と共に配置することに適している。
At
1306で、たとえば膜上でイオンビームおよび/または電子ビームを衝突させることにより、空孔が結晶膜中に作製される。 At 1306, pores are created in the crystal membrane, for example by colliding an ion beam and / or an electron beam on the membrane.
ステップ1308で、本方法は、少なくとも一部の空孔と少なくとも一部の置換原子を共に配置させることにより、結晶膜中に色中心を作製することを含む。置換原子および空孔を共に配置することは、たとえば、高温でまたは他のいずれかの適切なプロセスにより、膜を焼きなますことを含み得る。
At
ステップ1310で、本方法は、結晶膜上の第1の表面に捕捉試薬を付着させることを含む。ステップ1310は、結晶膜の表面の一部の領域に捕捉試薬を付着させ、望ましくないタンパク質による非特異的な結合に対し捕捉試薬と結合していない表面の領域を不動態化することを含み得る。捕捉試薬を付着させ表面の他の領域を不動態化することは、特定の標的分子への結合のための活性基を含む不動態化分子の一部を用いて、表面に不動態化分子(たとえば親水性ポリマー)を結合させることにより達成され得る。たとえば、不動態化した分子の一部は、表面に結合するように構成された第1の端部、およびDNAまたは他の標的分子に結合するように構成された活性基を有する第2の端部を有し得る。
At
ステップ1312で、本方法は、光検出器が色中心からの放出を検出できるように、結晶膜の第2の表面に光検出器を付着させることを含む。光検出器は、リソグラフィーを使用して製作されてよく、光学的に透明であり機械的に厳格な接着剤を使用して結晶膜に接着されてよい。いくつかの例では、フィルター層(たとえばフィルター層904)は、光検出器と膜との間に含まれる。
At
サンプル液中の標的分子の濃度を測定するための典型的な検出スキームは、少なくとも1つの色中心による蛍光放射の強度を測定すること、捕捉試薬に対する少なくとも1つの標的分子の結合に応じた蛍光放射の変化を同定すること、および同定した変化に基づきサンプル液中の標的分子の濃度を決定することを含む。たとえば、図7に表される窒素空孔中心の励起および放出の態様は、緩和時間T1が完全に光学的な方法によりモニタリングされる例示的な方法に含まれ得る。T1は、励起光でNV中心を照射することにより、基底のスピン状態をms=0の下位レベルに分極することにより測定される。図4に示されるように、ms=±1の下位レベルから励起された電子のフラクションは、ダーク遷移を介して基底状態に戻り、これによりms=0の下位レベルへの遷移を経て、最大強度を提供する。T1は、励起を介した分極が中断された後の蛍光強度を周期的にモニタリングし、どの程度早く基底状態が完全に偏極していない状態に戻るかを見ることにより決定される。尿中のタンパク質を測定するための例示的な方法は、同時にまたは示される順序以外の異なる順序で行われ得る、以下のステップを含む。
1.目的のタンパク質の既知の濃度を含む尿の複数の較正サンプルを調製する。
2.これらの較正サンプルをダイヤモンド層の検知表面にわたり流し、タンパク質に、付着されたSOMAmerに結合するための十分な機会を提供し、任意選択でサンプル液を再循環させる。
3.洗浄液をダイヤモンド層の流体接触表面にわたり流し、洗浄液に、SOMAmerに対し非特異的な形式で結合する分子を除去するための十分な機会を提供し、任意選択で洗浄液を再循環させる。
4.NV中心を、各パルスがNV中心のms=0の状態への完全な分極をもたらすために十分に長い持続期間を有する、一連の励起光のパルスで照射する。これら励起パルス間の時間間隔τiは変動する。
5.各励起パルスの起動の直後の蛍光強度、およびスピン状態がms=0の下位レベルに完全に偏極される際の各励起パルスの末端を対象として採用される参照強度を測定する。
6.対応する参照強度で各励起パルスの起動時の蛍光強度を除算することにより正規化した強度を計算する。
7.各較正サンプルの応答プロットを、パルスpiの直前の間隔時間tiに対する各パルスpiの参照強度をプロットすることにより、作製する。
8.各較正サンプルの緩和時間T1を、形態正規化強度(form normalized intensity)=I0*exp(−τ/T1)の減衰する指数関数を適合することにより見出す。
9.タンパク質濃度vsT1の較正曲線を作成する。
10.応答プロットを作製するために、ステップ(2)〜(8)を、較正サンプルの代わりに目的のサンプルを使用して反復する。
11.ステップ9の較正曲線を適用して目的の各サンプルのタンパク質濃度を決定する。
A typical detection scheme for measuring the concentration of a target molecule in a sample solution is to measure the intensity of fluorescence emission by at least one color center, fluorescence emission depending on the binding of at least one target molecule to a capture reagent. Includes identifying changes in the target molecule and determining the concentration of the target molecule in the sample solution based on the identified changes. For example, excitation and emission aspect of the nitrogen vacancy center represented in FIG. 7, the relaxation time T 1 is can be included in the exemplary method is monitored completely by an optical method. T 1 is measured by irradiating the NV center with excitation light to polarize the spin state of the basal to a lower level of m s = 0. As shown in FIG. 4, the fraction of electrons excited from the lower level of m s = ± 1 returns to the ground state via the dark transition, which causes the transition to the lower level of m s = 0. Provides maximum strength. T 1 is determined by periodically monitoring the fluorescence intensity after the excitation-mediated polarization is interrupted to see how quickly the ground state returns to a completely unpolarized state. An exemplary method for measuring protein in urine comprises the following steps, which can be performed simultaneously or in a different order other than the order shown.
1. 1. Prepare multiple calibration samples of urine containing known concentrations of the protein of interest.
2. These calibrated samples are flushed over the detection surface of the diamond layer to provide the protein with ample opportunity to bind to the attached SOMAmer and optionally recirculate the sample solution.
3. 3. The cleaning solution is flushed over the fluid contact surface of the diamond layer, providing the cleaning solution with ample opportunity to remove molecules that bind to SOMAmer in a non-specific manner, and optionally recirculate the cleaning solution.
4. The NV center is irradiated with a series of pulses of excitation light, each pulse having a duration long enough to result in complete polarization of the NV center to the ms = 0 state. Time interval tau i between these excitation pulses varies.
5. Fluorescence intensity immediately after start of the excitation pulse, and spin state is measured reference intensities employed as a target terminal of the excitation pulse at the time of being completely polarized to the lower level of the
6. The normalized intensity is calculated by dividing the fluorescence intensity at invocation of each excitation pulse by the corresponding reference intensity.
7. The response plots of each calibration sample, by plotting the reference intensity of each pulse p i for interval time t i immediately preceding pulse p i, to produce.
8. The relaxation time T 1 of each calibration sample is found by matching the decaying exponential function of form normalized intensity = I 0 * exp (−τ / T 1).
9. To create a calibration curve of protein concentration vsT 1.
10. To generate a response plot, steps (2)-(8) are repeated using the sample of interest instead of the calibration sample.
11. The calibration curve of step 9 is applied to determine the protein concentration of each sample of interest.
さらなる方法は、たとえば図8に示されるシステムを含み得る。スピン状態の光学的な検出が好ましいが、マイクロ波の励起の追加および静的な場の導入は、スピン状態を操作するための従来のEPR由来の全ての技術を広げる。これらの例(たとえばハーンエコー、DEERなど)は上述されている。結合した分析物の検出を最適化するために選択され得る当該分野でよく知られている技術を介する追加的なスピン操作のステップを加えた、上記方法に関する多数のバリエーションが存在する。 Further methods may include, for example, the system shown in FIG. Optical detection of spin states is preferred, but the addition of microwave excitation and the introduction of static fields expands all conventional EPR-derived techniques for manipulating spin states. These examples (eg Hahn Echo, DEER, etc.) have been described above. There are numerous variations on the method described above, with the addition of additional spin manipulation steps via techniques well known in the art that may be selected to optimize the detection of bound analytes.
所定の例は、サンプル液として尿または血液(血清もしくは結晶)に主に焦点を当てているが、本技術に係るバイオチップは、様々な生体液または、たとえば希釈によるこれらに由来する溶液で機能し得る。これらは、限定するものではないが、血液、血漿、血清、尿、精液、唾液、髄膜液、羊膜液、腺液、リンパ液、乳頭吸引液、気管支吸引液、滑液、関節吸引液、白血球、末梢血単核細胞、痰、息、細胞、細胞抽出物、糞便、組織、組織抽出物、組織生検、および脳脊髄液を含む。 Although the given example focuses primarily on urine or blood (serum or crystals) as the sample solution, the biochips of the art work with various biological fluids or solutions derived from them, for example by dilution. Can be done. These are, but are not limited to, blood, plasma, serum, urine, semen, saliva, cerebrospinal fluid, sheep membrane fluid, glandular fluid, lymph fluid, papillary aspirate, bronchial aspirate, synovial fluid, joint aspirate, leukocyte. , Peripheral blood mononuclear cells, sputum, breath, cells, cell extracts, feces, tissues, tissue extracts, tissue biopsies, and cerebrospinal fluid.
例示的な組み合わせおよび追加的な実施例
このセクションは、一連の段落として限定することなく提示される、プロテオームアッセイのさらなる態様および機構を記載し、これら全てのうちのいくつかは、明良性および効率性のためにアルファベット順に表され得る。これらの段落はそれぞれ、1つ以上の他の段落、および/または参照文献により組み込まれるいずれかの物質を含む本出願のいずれかでの開示と、任意の適切な方法で組み合わせられ得る。以下の段落の一部は、明らかに他の段落を参照しかつ他の段落をさらに限定し、限定するものではないがいくつかの適切な組み合わせの例を提供している。
Illustrative Combinations and Additional Examples This section describes further aspects and mechanisms of the proteome assay, presented without limitation as a series of paragraphs, some of which are benign and efficient. Can be represented alphabetically for sex. Each of these paragraphs may be combined in any suitable manner with the disclosure in any of the present applications comprising one or more other paragraphs and / or any substance incorporated by reference. Some of the following paragraphs clearly refer to other paragraphs and further limit and provide some, but not limited to, examples of suitable combinations.
A.流体中の1つ以上の種の標的分子の検出のための装置であって、
a)表面を有する固体の支持体と、
b)上記表面に付着される1つ以上の種の捕捉試薬であって、
c)各種の捕捉試薬が、特定の種の標的分子に選択的に結合する、捕捉試薬と、
d)固体の支持体の表面近くに位置した色中心と、
e)上記捕捉試薬へのタンパク質分子の結合の際に色中心の性質における変化を検出するための検出器
を含む、装置。
A. A device for the detection of one or more species of target molecules in a fluid.
a) A solid support with a surface and
b) A capture reagent of one or more species that adheres to the surface.
c) Capture reagents and capture reagents that selectively bind to target molecules of a particular species.
d) With a color center located near the surface of the solid support,
e) An apparatus comprising a detector for detecting changes in the properties of the color center upon binding of a protein molecule to the capture reagent.
A1.上記流体が、生体液を含み、上記標的分子が、タンパク質である、段落Aに記載の装置。 A1. The apparatus according to paragraph A, wherein the fluid comprises a biological fluid and the target molecule is a protein.
A2.上記捕捉試薬が、アプタマーである、段落A1に記載の装置。 A2. The apparatus according to paragraph A1, wherein the capture reagent is an aptamer.
A3.上記アプタマーが、核酸分子である、段落A2に記載の装置。 A3. The apparatus according to paragraph A2, wherein the aptamer is a nucleic acid molecule.
A4.核酸分子の少なくとも一部が、少なくとも1つの5位が修飾されたピリミジンを有する、段落A3に記載の装置。 A4. The apparatus according to paragraph A3, wherein at least a portion of the nucleic acid molecule has at least one 5-position modified pyrimidine.
A5.上記固体の支持体が、ダイヤモンド結晶であり、上記色中心が、窒素−空孔中心である、段落A4に記載の装置。 A5. The apparatus according to paragraph A4, wherein the solid support is a diamond crystal and the color center is a nitrogen-vacancy center.
A6.上記検出器が、第1の範囲の波長の放射線で窒素−空孔中心を照射し第2の範囲の波長を検出する、光学的システムである、段落A5に記載の装置。 A6. The apparatus according to paragraph A5, wherein the detector is an optical system that irradiates the nitrogen-vacancy center with radiation of a first range of wavelengths to detect wavelengths of a second range.
A7.光源が、パルス状の光源である、段落A6に記載の装置。 A7. The device according to paragraph A6, wherein the light source is a pulsed light source.
A8.上記窒素−空孔中心の性質における変化が、上記窒素空孔中心の磁気共鳴の性質における変化である、段落A7に記載の装置。 A8. The apparatus according to paragraph A7, wherein the change in the nature of the nitrogen-vacancy center is a change in the nature of the magnetic resonance of the nitrogen-vacancy center.
A9.磁場を提供するための磁場供給源をさらに含む、段落A8に記載の装置。 A9. The device of paragraph A8, further comprising a magnetic field source for providing a magnetic field.
A10.マイクロ波の放射を提供するためのマイクロ波供給源をさらに含む、段落A9に記載の装置。 A10. A device according to paragraph A9, further comprising a microwave source for providing microwave radiation.
A11.上記マイクロ波供給源が、上記窒素−空孔中心の電子の基底状態の下位レベルと共振する周波数に調節される、段落A10に記載の装置。 A11. The device according to paragraph A10, wherein the microwave source is tuned to a frequency that resonates with the lower level of the ground state of the electrons at the nitrogen-vacancy center.
A12.上記マイクロ波供給源が、パルス状の供給源である、段落A11に記載の装置。 A12. The device according to paragraph A11, wherein the microwave source is a pulsed source.
A13.上記固体の支持体の表面が、単結晶ダイヤモンドの{111}表面である、段落A5に記載の装置。 A13. The apparatus according to paragraph A5, wherein the surface of the solid support is the {111} surface of a single crystal diamond.
A14.上記固体の支持体の表面が、単結晶ダイヤモンドの{100}表面である、段落A5に記載の装置。 A14. The apparatus according to paragraph A5, wherein the surface of the solid support is the {100} surface of a single crystal diamond.
上記窒素−空孔中心が、25ナノメートルのダイヤモンド結晶の表面内に配置される、段落A5に記載の装置。 The device according to paragraph A5, wherein the nitrogen-vacancy center is located within the surface of a 25 nanometer diamond crystal.
A16.上記核酸分子が、スピンラベルをさらに含む、段落A7に記載の装置。 A16. The apparatus according to paragraph A7, wherein the nucleic acid molecule further comprises a spin label.
A17.上記核酸分子が、スピンラベルをさらに含む、段落A12に記載の装置。 A17. The apparatus according to paragraph A12, wherein the nucleic acid molecule further comprises a spin label.
B.サンプル液中の単一または複数の分析物を同時に定量化するための装置であって、
a)1つの面が上記サンプル液と接触し、上記流体と接触する表面から5〜25ナノメートル離れた色中心欠陥を含む、薄い結晶層と、
b)結合剤への分析物の結合が、色中心欠陥に対し外部の局所的な磁場に影響を与え、それにより上記色中心欠陥の挙動を検出可能に変えるように、(a)に記載される色中心欠陥のすぐ近くにある結晶層の流体と接触する表面に付着される捕捉剤と、
c)上記色中心欠陥の挙動における変化を検出する手段
を含む、装置。
B. A device for simultaneously quantifying a single or multiple analytes in a sample solution.
a) A thin crystalline layer containing a color center defect 5 to 25 nanometers away from the surface where one surface is in contact with the sample liquid and in contact with the fluid.
b) Described in (a) such that the binding of the analyte to the binder affects a local magnetic field external to the color center defect, thereby altering the behavior of the color center defect in a detectable manner. A scavenger that adheres to the surface of the crystal layer that comes into contact with the fluid in the immediate vicinity of the color center defect.
c) An apparatus comprising a means for detecting a change in the behavior of the color center defect.
B1.上記色中心欠陥の挙動における変化が、蛍光における変化を含み、上記蛍光における変化を検出する手段が、
a)励起光または他の光を排除しつつ、色中心欠陥からの蛍光放射を通すための、結晶層の非接触表面に結合される光学的フィルター層と、
b)強度を含む、色中心欠陥により放出される蛍光の捕捉および定量化のための、上記結晶層とは反対側で光学的フィルター層に結合される、検出層と、
c)色中心欠陥が蛍光を放出するように刺激されるように、励起光を結晶層に導入するための手段
を含む、段落Bに記載の装置。
B1. The change in the behavior of the color center defect includes the change in fluorescence, and the means for detecting the change in fluorescence is
a) An optical filter layer coupled to the non-contact surface of the crystal layer to allow fluorescence radiation from color center defects to pass while excluding excitation light or other light.
b) A detection layer that is attached to an optical filter layer on the opposite side of the crystal layer for capture and quantification of fluorescence emitted by a color center defect, including intensity.
c) The apparatus according to paragraph B, comprising means for introducing excitation light into the crystal layer such that the color center defect is stimulated to emit fluorescence.
B2.上記励起光を結晶層に導入するための手段が、上記励起光が上記結晶層の流体と接触する表面に平行な方向で移動するように、上記結晶層の端を介して当該光の導入を行う、段落B1に記載の装置。 B2. The means for introducing the excitation light into the crystal layer is to introduce the light through the edge of the crystal layer so that the excitation light moves in a direction parallel to the surface of the crystal layer in contact with the fluid. The device according to paragraph B1.
B3.上記色中心欠陥の挙動における変化が、蛍光における変化を含み、上記蛍光における変化を検出する手段が、
a)励起光または他の光を排除しつつ色中心欠陥からの蛍光放射を通すための、結晶層の非接触表面に結合された、光学的フィルターを任意選択で含む光学的導波管と、
b)強度を含む、色中心の欠陥により放出される蛍光の捕捉および定量化のための、上記結晶層からの光学的導波管の反対側で位置した、検出層と、
c)色中心欠陥が蛍光を放出するように刺激されるような、励起光を結晶層に導入するための手段
を含む、段落Bに記載の装置。
B3. The change in the behavior of the color center defect includes the change in fluorescence, and the means for detecting the change in fluorescence is
a) An optical waveguide containing an optional optical filter coupled to the non-contact surface of the crystal layer to allow fluorescence radiation from color center defects to pass while excluding excitation light or other light.
b) A detection layer located opposite the optical waveguide from the crystal layer for capture and quantification of fluorescence emitted by color center defects, including intensity.
c) The apparatus according to paragraph B, comprising means for introducing excitation light into the crystal layer such that the color center defect is stimulated to emit fluorescence.
B4.上記色中心欠陥の挙動における変化が、上記色中心欠陥に対し局所的な電場または磁場における変化を含み、この電場または磁場における変化を検出する手段が、電子的または光電子的な検出器を含む、段落Bに記載の装置。 B4. Changes in the behavior of the color center defect include changes in an electric or magnetic field local to the color center defect, and means for detecting the change in the electric or magnetic field includes an electronic or photoelectron detector. The device according to paragraph B.
B5.色中心欠陥の共振挙動に影響を与えかつ/またはそれをモニタリングするための、マイクロ波の放射を結晶層に導入するための手段をさらに含む、段落B1に記載の装置。 B5. The apparatus of paragraph B1, further comprising means for introducing microwave radiation into the crystal layer to influence and / or monitor the resonant behavior of the color center defect.
B6.共振挙動を修正するための、色中心欠陥を含む領域にわたり一定のまたは様々な磁場を課すための手段を含む、段落B5に記載の装置。 B6. The apparatus according to paragraph B5, comprising means for imposing a constant or various magnetic fields over a region containing a color center defect to correct resonance behavior.
B7.上記薄い結晶層がダイヤモンド膜であり、上記色中心欠陥が窒素−空孔中心である、段落B5に記載の装置。 B7. The apparatus according to paragraph B5, wherein the thin crystal layer is a diamond film and the color center defect is a nitrogen-vacancy center.
B8.上記装置が、複数回の使用のために再生され得る、段落B7に記載の装置。 B8. The device according to paragraph B7, wherein the device can be regenerated for multiple uses.
B9.上記分析物に特異的な結合剤が、色中心欠陥に対し外部の局所的な磁場上での上記分析物の結合の際に作用を増大させるための磁気スピンラベルに結合され、それにより上記色中心欠陥の挙動を検出可能なように変える、段落B8に記載の装置。 B9. A binder specific for the analyte is bound to a magnetic spin label to increase its action upon binding of the analyte on a local magnetic field external to the color center defect, thereby binding the color. The device according to paragraph B8, which modifies the behavior of a central defect so that it can be detected.
B10.上記分析物に特異的な結合剤が、アプタマーまたはSOMAmerである、段落B9に記載の装置。 B10. The apparatus according to paragraph B9, wherein the binder specific for the analyte is an aptamer or SOMAmer.
B11.上記光学的なフィルター層が、2色性バンドパスフィルターを形成するために層状化された誘電膜から構成される、段落B9に記載の装置。 B11. The apparatus according to paragraph B9, wherein the optical filter layer is composed of a layered dielectric film to form a dichroic bandpass filter.
B12.上記検出層が、上記光学的なフィルター層と即座に接触するCMOSアバランシェ光検出器から構成され、上記光検出器からのシグナルが、高速の電子ゲートを通り、上記高速のゲートを通るシグナルが、イベントカウンターへと通され、イベントカウンターにより収集された結果として得られるデータが、分析のためプロセッサに送達される、段落B9に記載の装置。 B12. The detection layer is composed of a CMOS avalanche photodetector that makes immediate contact with the optical filter layer, and a signal from the photodetector passes through a high-speed electron gate and a signal passing through the high-speed gate. The device of paragraph B9, wherein the data passed through the event counter and obtained as a result collected by the event counter is delivered to the processor for analysis.
B13.上記繋留されたSOMAmerの集合が、特異的な分析物に対するそれらの特異性において同一であり、個別の光検出器により捕捉される蛍光を集合的に放出する上記窒素−空孔中心の集合と測定可能な方法で相互作用する、段落B9に記載の装置。 B13. The set of tethered SOMAmers is identical in their specificity to a specific analyte and is measured with the set of nitrogen-vacancy centers that collectively emit fluorescence captured by individual photodetectors. The device according to paragraph B9, which interacts in a possible way.
B14.上記SOMAmerの集合が、単一の分子からなり、上記窒素−空孔中心の集合が、単一の中心からなる、段落B13に記載の装置。 B14. The apparatus according to paragraph B13, wherein the set of SOMAmers consists of a single molecule and the set of nitrogen-vacancy centers consists of a single center.
B15.上記SOMAmerの集合が、同じ分析物に対し同一に特異的な複数の分子からなり、上記窒素−空孔中心の集合が、単一の中心からなる、段落B13に記載の装置。 B15. The apparatus according to paragraph B13, wherein the SOMAmer set comprises a plurality of molecules that are identically specific to the same analyte, and the nitrogen-vacancy center set consists of a single center.
B16.複数の上記繋留されたSOMAmerの集合が存在し、それぞれの上記集合が、異なる分析物に特異的である、段落B13に記載の装置。 B16. The apparatus according to paragraph B13, wherein there are multiple sets of tethered SOMAmers, each of which is specific to a different analyte.
B17.上記繋留されたSOMAmerの集合の数が、100〜10,000である、段落B16に記載の装置。 B17. The apparatus according to paragraph B16, wherein the number of tethered SOMAmer sets is 100-10,000.
B18.必要に応じて上記流体を再循環させるための手段を含む、ダイヤモンド層の流体と接触する表面に流体を配向付けるための手段が含まれ、上記流体が、
a)サンプル液と、
b)上記SOMAmerまたは上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に非特異的な形式で結合する分子を除去するために使用される洗浄液と、
c)上記SOMAmerまたは上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に対して損傷または変性を引き起こすことなく、上記SOMAmerまたは上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に特異的かつ非特異的な両方の形式で結合する分子を除去するために使用される再生液
を含む、段落B13に記載の装置。
B18. Means for orienting the fluid in contact with the fluid in the diamond layer, including means for recirculating the fluid as needed, are included.
a) Sample solution and
b) A cleaning solution used to remove molecules that bind in a non-specific manner to the surface of the SOMAmer or diamond layer in contact with the fluid.
c) Bonds in both specific and non-specific forms to the SOMAmer or the surface of the diamond layer in contact with the fluid without causing damage or modification to the surface of the SOMAmer or the diamond layer in contact with the fluid. The apparatus according to paragraph B13, comprising a regenerating fluid used to remove the molecules that form.
B19.上記サンプル液が、ヒト対象由来の生体液である、段落B18に記載の装置。 B19. The apparatus according to paragraph B18, wherein the sample solution is a biological fluid derived from a human subject.
B20.上記生体液が、尿である、段落B19に記載の装置。 B20. The device according to paragraph B19, wherein the biological fluid is urine.
B21.上記装置が、トイレ、便器、または尿の容器内に含まれ、それにより上記トイレ、便器、または尿の容器からの尿の捕捉および分析を可能にするように設計される、段落B20に記載の装置。 B21. The device according to paragraph B20, wherein the device is contained within a toilet, toilet bowl, or urine container, thereby being designed to allow capture and analysis of urine from the toilet, toilet bowl, or urine container. Device.
B22.上記装置により作成されたデータを、可能性のある疾患状態の診断のためのプロテオミクスのデータベースと比較する、段落B21に記載の装置。 B22. The device according to paragraph B21, which compares the data produced by the device with a database of proteomics for diagnosing possible disease states.
B23.分析物の濃度が、記載される方法:
a)上記分析物の既知の濃度を含む流体の複数の較正サンプルを調製することと、
b)任意選択で上記較正サンプル液の再循環を含む、上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に上記較正サンプルを方向付けること、および上記繋留されたSOMAmerに結合するために十分な機会を上記分析物に提供することと、
c)上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に上記洗浄液を方向付けることであって、上記洗浄液に、上記SOMAmerに非特異的な形式で結合する分子を除去するための十分な機会を与え、当該機会が任意選択で、上記洗浄液の再循環を含む、方向付けることと、
d)励起光で上記窒素―空孔中心を照射することであって、上記光が、上記窒素−空孔中心の蛍光放射を誘導する周波数を含む、照射すること、および上記蛍光放射強度を測定することと、
e)マイクロ波の放射で上記窒素−空孔中心を照射することであって、上記マイクロ波の放射の周波数が、0のスピン状態から±1のスピン状態への上記窒素−空孔中心での基底状態の電子の変換を誘導する共振周波数を含むと予測される範囲にわたり変動する、照射することと、
f)上記それぞれの較正サンプルに関して、上記蛍光放射強度対上記マイクロ波の放射の周波数のプロットを作成することと、
g)分析物濃度対(f)からの上記較正サンプルのプロットのいくつかの選択された特徴の較正曲線を作成することと、
h)(f)でのようにプロットを作成するために、較正サンプルの代わりに目的のサンプルを使用して、ステップ(b)〜(f)を反復することと、
i)ステップ(f)の較正曲線を適用して、上記目的のサンプルのそれぞれの分析物の濃度を決定すること
に従い上記サンプル液中で測定される、段落B18に記載の装置。
B23. The method by which the concentration of the analyte is described:
a) To prepare multiple calibration samples of the fluid containing the known concentrations of the above article.
b) The analysis provides sufficient opportunities to orient the calibration sample to the fluid-contacting surface of the diamond layer, including optionally recirculating the calibration sample solution, and to bind to the tethered SOMAmer. To provide things and
c) Directing the cleaning solution to the surface of the diamond layer in contact with the fluid, giving the cleaning solution sufficient opportunity to remove molecules that bind to the SOMAmer in a non-specific manner. Opportunity is optional, including orienting, including recirculation of the cleaning fluid,
d) Irradiating the nitrogen-vacancy center with excitation light, including the frequency at which the light induces fluorescence emission at the nitrogen-vacancy center, and measuring the fluorescence emission intensity. To do and
e) Irradiating the nitrogen-vacancy center with microwave radiation, where the frequency of the microwave radiation changes from a spin state of 0 to a spin state of ± 1 at the nitrogen-vacancy center. Irradiation and irradiation, which fluctuate over a range predicted to include a resonance frequency that induces the conversion of ground-state electrons.
f) For each of the above calibration samples, make a plot of the fluorescence emission intensity vs. the microwave emission frequency.
g) To create a calibration curve for some selected features of the plot of the above calibration sample from the analyte concentration pair (f).
h) Repeating steps (b)-(f), using the sample of interest instead of the calibration sample, to create the plot as in (f).
i) The apparatus of paragraph B18, wherein the calibration curve of step (f) is applied and measured in the sample solution according to determining the concentration of each analyte of the sample of interest.
B24.上記プロットの選択された特徴が、最も極端な極小値を位置づけることにより決定される、共振マイクロ波周波数である、段落B13に記載の装置および方法。 B24. The apparatus and method according to paragraph B13, wherein the selected feature of the plot is the resonant microwave frequency, which is determined by positioning the most extreme local minima.
B25.上記プロットの選択された特徴が、いくつかの形式、たとえば半値全幅(FWHM)、または変動係数(CV)で、共振反転ピークの幅を表す、段落23に記載の装置および方法。 B25. The apparatus and method according to paragraph 23, wherein the selected features of the plot represent the width of the resonant inversion peak in some form, such as full width at half maximum (FWHM), or coefficient of variation (CV).
B26.分析物の濃度が、記載される方法:
a)上記分析物の既知の濃度を含む流体の複数の較正サンプルを調製することと、
b)任意選択で上記較正サンプル液の再循環を含む、上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に上記較正サンプルを方向付けること、および上記繋留されたSOMAmerに結合するために十分な機会を上記分析物に与えることと、
c)上記ダイヤモンド層の流体と接触する表面に上記洗浄液を方向付けることであって、上記洗浄液に、上記SOMAmerに非特異的な形式で結合する分子を除去するための十分な機会を与え、当該機会が、任意選択で上記洗浄液の再循環を含む、方向付けることと、
d)一連の励起光の矩形波のパルスpiで上記窒素−空孔中心を照射することであって、上記光が、上記窒素−空孔中心の蛍光放射を誘導する周波数を含み、各パルスがそれぞれ、上記窒素−空孔中心の0スピン状態への完全な分極をもたらすために十分長い、照射すること、これらの上記記励起パルスpi間の空間τiをさらに変動させることと、
e)上記各励起パルスの起動の直後の蛍光強度、および上記各励起パルスの終わりに対し取られる、参照強度を測定することであって、上記参照強度が、スピン状態が0スピン状態に完全に偏極されるはずである場合に測定される、測定することと、
f)対応する上記参照強度で上記各励起パルスpiの起動時の蛍光強度を除算することにより正規化された強度を計算することと、
g)パルスpiの直前の間隔時間tiに対する各パルスpiの参照強度をプロットすることにより、各較正サンプルの応答プロットを作製することと、
h)式y=I0*exp(−τ/T1)(式中yは、上記各パルスpiの正規化した強度の集合からなる依存的な変数であり、独立した変数τは、上記パルスpiのそれぞれに先行する間隔時間の集合である)の減衰する指数関数を適合することにより、上記較正サンプルそれぞれの緩和時間T1を見出すことと、
i)上記較正サンプル中の既知の分析物濃度対ステップ(h)由来の緩和時間T1の較正曲線を作成することと、
j)(g)でのようなプロットを作成するために較正サンプルの代わりに目的のサンプルを使用してステップ(b)〜(h)を反復すること、およびステップ(h)でのように緩和時間を見出すことと、
k)ステップ(i)の較正曲線を適用して、目的のサンプルそれぞれの分析物の濃度を決定すること
に従い上記サンプル液中で測定される、段落B18に記載の装置。
B26. The method by which the concentration of the analyte is described:
a) To prepare multiple calibration samples of the fluid containing the known concentrations of the above article.
b) The analysis provides sufficient opportunities to orient the calibration sample to the fluid-contacting surface of the diamond layer, including optionally recirculating the calibration sample solution, and to bind to the tethered SOMAmer. To give things and
c) Directing the cleaning solution to the surface of the diamond layer in contact with the fluid, giving the cleaning solution sufficient opportunity to remove molecules that bind to the SOMAmer in a non-specific manner. Opportunities include, optionally, recirculation of the above cleaning fluids, and
d) a pulse p i of the rectangular wave of a series of excitation light the nitrogen - the method comprising irradiating a vacancy center, the light is, the nitrogen - containing a frequency that induces fluorescence emission vacancy centers and each pulse and long enough to provide a complete polarization of the 0 spin state of vacancy center, irradiating, to further vary the spatial tau i between these the Symbol excitation pulse p i, - but each the nitrogen
e) The fluorescence intensity immediately after the activation of each of the excitation pulses and the reference intensity taken at the end of each excitation pulse are measured, the reference intensity being completely in the zero spin state. To measure, to be measured when it should be polarized,
calculating a normalized intensity by f) at said corresponding reference intensity dividing the fluorescence intensity at start of each excitation pulse p i,
By plotting the reference intensity of each pulse p i for g) pulse p i interval time immediately preceding the t i, and making a response plot for each calibration sample,
h) formula y = I 0 * exp (-τ / T1) ( wherein y is dependent variables consisting of a set of normalized intensity of each pulse p i, the independent variables tau, the pulse by fitting an exponential function to decay of p is the set of intervals preceding time each i), and finding the calibration samples each relaxation time T 1,
i) a creating a calibration curve of known analyte concentration versus step (h) from the relaxation time T 1 of the in the calibration sample,
j) Repeat steps (b)-(h) using the sample of interest instead of the calibration sample to create a plot as in (g), and relax as in step (h). Finding time and
k) The apparatus of paragraph B18, wherein the calibration curve of step (i) is applied and measured in the sample solution according to determining the concentration of the analyte for each sample of interest.
C.標的分子を検出するための装置であって、
流体と接触するように較正された表面と、
それぞれが標的分子に結合するように構成される、上記表面に付着される複数の捕捉試薬と、
上記表面の近位に位置する複数の色中心と、
上記捕捉試薬の1つへの標的分子の結合に応じた色中心の少なくとも1つの性質における変化を検出するように構成された少なくとも1つの検出器
を含む、装置。
C. A device for detecting target molecules
With a surface calibrated to contact the fluid,
A plurality of capture reagents attached to the surface, each configured to bind to a target molecule,
With multiple color centers located proximal to the surface,
An apparatus comprising at least one detector configured to detect a change in at least one property of a color center in response to binding of a target molecule to one of the capture reagents.
C1.上記標的分子が、タンパク質であり、上記捕捉試薬が、アプタマーである、段落Cに記載の装置。 C1. The apparatus according to paragraph C, wherein the target molecule is a protein and the capture reagent is an aptamer.
C2.上記アプタマーが、核酸分子である、段落C1に記載の装置。 C2. The device according to paragraph C1, wherein the aptamer is a nucleic acid molecule.
C3.上記核酸分子が、少なくとも1つの5位が修飾されたピリミジンを有する、段落C2に記載の装置。 C3. The apparatus according to paragraph C2, wherein the nucleic acid molecule has at least one 5-position modified pyrimidine.
C4.上記表面が、ダイヤモンド結晶の表面であり、上記色中心が、上記ダイヤモンド結晶の窒素−空孔中心である、段落Cに記載の装置、 C4. The apparatus according to paragraph C, wherein the surface is the surface of the diamond crystal and the color center is the nitrogen-vacancy center of the diamond crystal.
C5.上記ダイヤモンド結晶が、単結晶ダイヤモンドである、段落C4に記載の装置。 C5. The apparatus according to paragraph C4, wherein the diamond crystal is a single crystal diamond.
C6.第1の範囲の波長を有する放射線で窒素−空孔中心を照射するように構成された光源をさらに含み、上記検出器が、第2の範囲の波長を有する放射線を検出するように構成される、段落C4に記載の装置。 C6. Further including a light source configured to irradiate the nitrogen-vacancy center with radiation having a wavelength in the first range, the detector is configured to detect radiation having a wavelength in the second range. , The apparatus according to paragraph C4.
C7.上記性質が、窒素−空孔中心の磁気共鳴に関連している、段落C4に記載の装置。 C7. The apparatus according to paragraph C4, wherein the above properties are related to magnetic resonance at the nitrogen-vacancy center.
C8.窒素−空孔中心の電子の基底状態の下位レベルの共振周波数を含む範囲の周波数を有するマイクロ波の放射を提供するように構成されたマイクロ波供給源をさらに含む、段落C4に記載の装置。 C8. The apparatus of paragraph C4, further comprising a microwave source configured to provide microwave radiation having a frequency in the range including the lower level resonant frequency of the ground state of the nitrogen-vacancy center electron.
C9.捕捉試薬が、複数の捕捉種に属する試薬を含み、各捕捉種が、特定の標的種の標的分子に結合するように構成される、段落Cに記載の装置。 C9. The apparatus according to paragraph C, wherein the capture reagent comprises reagents belonging to a plurality of capture species, and each capture species is configured to bind to a target molecule of a particular target species.
C10.標的分子の濃度を測定するための装置であって、
少なくとも1つの色中心を含む結晶膜と、
上記結晶膜の表面に付着され、かつ上記標的分子に結合するように構成される複数の捕捉試薬と、
励起光で上記色中心を照射し、かつ上記色中心からの電磁放射線の放出を検出するように構成される検出器アセンブリ
を含む、装置。
C10. A device for measuring the concentration of target molecules
A crystal film containing at least one color center and
A plurality of capture reagents that are attached to the surface of the crystal film and are configured to bind to the target molecule.
A device comprising a detector assembly configured to illuminate the color center with excitation light and detect the emission of electromagnetic radiation from the color center.
C11.上記捕捉試薬が、磁気スピンラベルを含み、上記色中心の磁場が、上記捕捉試薬の1つに対する標的分子の結合に応じて変化する、段落C10に記載の装置。 C11. The apparatus according to paragraph C10, wherein the capture reagent comprises a magnetic spin label and the magnetic field at the center of color changes in response to binding of a target molecule to one of the capture reagents.
C12.上記検出器アセンブリが、第1の下位状態から第2の下位状態への色中心での基底状態の電子の変換を誘導できる周波数を有するマイクロ波の放射で上記色中心を照射するように構成される、段落C11に記載の装置。 C12. The detector assembly is configured to illuminate the color center with microwave radiation having a frequency capable of inducing the conversion of ground state electrons at the color center from the first substate to the second substate. The device according to paragraph C11.
C13.上記結晶膜が、ダイヤモンド膜であり、上記色中心が、窒素−空孔中心である、段落C10に記載の装置。 C13. The apparatus according to paragraph C10, wherein the crystal film is a diamond film and the color center is a nitrogen-vacancy center.
C14.上記標的分子の1つに対する上記捕捉試薬のうちの1つの結合が、上記捕捉試薬のスピンラベルと上記色中心の間の相互作用を変化させることにより、上記色中心からの電磁放射線の放射における検出可能な変化をもたらす、段落C10に記載の装置。 C14. Detection of electromagnetic radiation from the color center by binding of one of the capture reagents to one of the target molecules by altering the interaction between the spin label of the capture reagent and the color center. The device according to paragraph C10, which brings about possible changes.
C15.標的分子を検出するための装置であって、
結晶基板の表面に付着され、かつサンプル液から標的分子を捕捉するように構成される、複数の捕捉試薬と、
上記捕捉試薬から固定距離で配置される複数の色中心であって、上記固定距離が、上記色中心の少なくとも1つの性質が、上記捕捉試薬の1つによる上記標的分子の1つの捕捉に応じて変化するために十分に小さい、複数の色中心と、
上記色中心の少なくとも1つの性質における変化を検出するように構成された検出器
を含む、装置。
C15. A device for detecting target molecules
Multiple capture reagents that adhere to the surface of the crystal substrate and are configured to capture the target molecule from the sample solution.
A plurality of color centers located at a fixed distance from the capture reagent, wherein the fixed distance is such that at least one property of the color center depends on the capture of one of the target molecules by one of the capture reagents. With multiple color centers, small enough to change,
A device comprising a detector configured to detect a change in at least one property of the color center.
C16.上記捕捉試薬が、アプタマーである、段落C15に記載の装置。 C16. The apparatus according to paragraph C15, wherein the capture reagent is an aptamer.
C17.上記捕捉試薬が、オリゴヌクレオチドである、段落C16に記載の装置。 C17. The apparatus according to paragraph C16, wherein the capture reagent is an oligonucleotide.
C18.上記捕捉試薬が、少なくとも5位が修飾されたピリミジンを有する核酸分子である、段落C16に記載の装置。 C18. The apparatus according to paragraph C16, wherein the capture reagent is a nucleic acid molecule having a pyrimidine modified at least at the 5-position.
C19.上記結晶基板が、ダイヤモンド膜であり、上記色中心が、窒素−空孔中心である、段落C18に記載の装置。 C19. The apparatus according to paragraph C18, wherein the crystal substrate is a diamond film and the color center is a nitrogen-vacancy center.
D0.サンプル液中の標的分子を検出するための方法であって、
サンプル液と、表面に付着されかつ標的分子に結合するように構成された捕捉試薬を接触させることと、
上記表面の近位に配置された上記色中心を、上記色中心による蛍光放射を誘導するように構成された励起光で照射することと、
1つ以上の検出器を使用して上記蛍光放射の強度を測定することと、
上記捕捉試薬に対する上記標的分子の結合に応じた上記蛍光放射の強度における変化を検出すること
を含む、方法。
D0. A method for detecting target molecules in a sample solution.
Contacting the sample solution with a capture reagent configured to adhere to the surface and bind to the target molecule.
Irradiating the color center located proximal to the surface with excitation light configured to induce fluorescence radiation by the color center.
Measuring the intensity of the fluorescent radiation using one or more detectors,
A method comprising detecting a change in the intensity of the fluorescent radiation in response to binding of the target molecule to the trapping reagent.
D1.第1の下位状態から第2の下位状態への色中心での基底状態の電子の変換を誘導できる周波数のマイクロ波の放射で上記色中心を放射することをさらに含み、
上記捕捉試薬に対する上記標的分子の結合に応じた上記蛍光放射の強度における変化を検出することが、上記蛍光放射の測定された強度と上記マイクロ波の放射の周波数の間の関係に基づき上記色中心の共振挙動を同定することを含む、
D0に記載の方法。
D1. Further including radiating the color center with microwave radiation at a frequency capable of inducing the conversion of ground state electrons at the color center from the first substate to the second substate.
Detecting changes in the intensity of the fluorescent radiation in response to the binding of the target molecule to the trapping reagent is based on the relationship between the measured intensity of the fluorescent radiation and the frequency of the microwave radiation. Including identifying the resonance behavior of
The method according to D0.
D2.上記標的分子が、タンパク質である、段落D0またはD1に記載の方法。 D2. The method according to paragraph D0 or D1, wherein the target molecule is a protein.
D3.上記捕捉試薬が、アプタマーである、段落D0〜D2のいずれか1項に記載の方法。 D3. The method according to any one of paragraphs D0 to D2, wherein the capture reagent is an aptamer.
D4.上記捕捉試薬が、少なくとも5位が修飾されたピリミジンを有する核酸分子である、段落D0〜D3のいずれか1項に記載の方法。 D4. The method according to any one of paragraphs D0 to D3, wherein the capture reagent is a nucleic acid molecule having a pyrimidine modified at least at the 5-position.
D5.上記表面が、ダイヤモンド結晶の表面であり、上記色中心が、上記ダイヤモンド結晶の窒素−空孔中心である、段落D0〜D4のいずれか1項に記載の方法。 D5. The method according to any one of paragraphs D0 to D4, wherein the surface is the surface of the diamond crystal and the color center is the nitrogen-vacancy center of the diamond crystal.
D6.上記捕捉試薬が、少なくとも1つの第1の5位が修飾されたピリミジンおよび少なくとも1つの第2の5位が修飾されたピリミジンを含むアプタマーであり、上記第1の5位が修飾されたピリミジンおよび上記第2の5位が修飾されたピリミジンが、異なる5位が修飾されたピリミジンであり、
上記第1の5位が修飾されたピリミジンが、5位が修飾されたウリジンであり、かつ
上記第2の5位が修飾されたピリミジンが、5位が修飾されたシチジンであり、または
上記第1の5位が修飾されたピリミジンが、5位が修飾されたシチジンであり、かつ
上記第2の5位が修飾されたピリミジンが、5位が修飾されたウリジンである、
段落D0〜D5のいずれか1項に記載の方法。
D6. The capture reagent is an aptamer comprising at least one first five-position modified pyrimidine and at least one second five-position modified pyrimidine, and the first five-position modified pyrimidine and The second 5-position modified pyrimidine is a different 5-position modified pyrimidine.
The first 5-position modified pyrimidine is a 5-position modified uridine, and the second 5-position modified pyrimidine is a 5-position modified cytidine, or the above-mentioned first The 5-position modified pyrimidine of 1 is the 5-position modified cytidine, and the second 5-position modified pyrimidine is the 5-position modified uridine.
The method according to any one of paragraphs D0 to D5.
E0.標的分子の濃度を測定するための方法であって、
結晶膜の表面に流体を曝露させて、上記表面に付着されている捕捉試薬を、上記流体内の標的分子に結合させることと、
上記結晶膜内の少なくとも1つの色中心により蛍光放射を誘導するように構成された励起光で上記膜を照射することと、
上記蛍光放射に基づき、上記標的分子と上記捕捉試薬の間の結合に応じた色中心の性質における変化を検出することと、
検出された変化に基づき、上記流体内の標的分子の濃度を決定すること
を含む、方法。
E0. A method for measuring the concentration of a target molecule,
By exposing the fluid to the surface of the crystal film and binding the capture reagent attached to the surface to the target molecule in the fluid,
Irradiating the film with excitation light configured to induce fluorescence radiation by at least one color center in the crystal film.
Based on the fluorescence radiation, detection of changes in the properties of the color center depending on the binding between the target molecule and the capture reagent, and
A method comprising determining the concentration of a target molecule in the fluid based on the detected change.
E1.上記標的分子が、タンパク質である、段落E0に記載の方法。 E1. The method according to paragraph E0, wherein the target molecule is a protein.
E2.上記捕捉試薬が、磁気スピンラベルを含み、上記少なくとも1つの色中心の磁場が、上記標的分子と上記捕捉試薬の間の結合に応じて変化する、段落E1またはE2に記載の方法。 E2. The method of paragraph E1 or E2, wherein the capture reagent comprises a magnetic spin label and the magnetic field at at least one color center changes depending on the binding between the target molecule and the capture reagent.
E3.上記励起光で膜を照射することが、第1の下位状態から第2の下位状態への上記色中心での基底状態の電子の変換を誘導できる周波数を有するマイクロ波の放射で上記色中心を照射することを含む、段落E0〜E2のいずれか1項に記載の方法。 E3. Irradiating the film with the excitation light irradiates the color center with microwave radiation having a frequency that can induce the conversion of electrons in the ground state at the color center from the first lower state to the second lower state. The method according to any one of paragraphs E0 to E2, comprising irradiating.
E4.上記色中心が、窒素空孔中心である、段落E0〜E3のいずれか1項に記載の方法。 E4. The method according to any one of paragraphs E0 to E3, wherein the color center is the nitrogen vacancy center.
E5.上記結晶膜が、ダイヤモンド膜である、段落E0〜E4のいずれか1項に記載の方法。 E5. The method according to any one of paragraphs E0 to E4, wherein the crystal film is a diamond film.
F0.標的分子を検出するための方法であって、
結晶基板を、上記結晶基板の表面に付着される複数の捕捉試薬がサンプル液内の標的分子に結合するように、上記サンプル液に曝露させることと、
上記捕捉試薬に対する上記標的分子の結合に応じた上記結晶基板内の1つ以上の色中心の性質における変化を同定すること
を含む、方法。
F0. A method for detecting target molecules
The crystal substrate is exposed to the sample solution so that a plurality of capture reagents attached to the surface of the crystal substrate bind to the target molecule in the sample solution.
A method comprising identifying changes in the properties of one or more color centers within the crystal substrate in response to binding of the target molecule to the capture reagent.
F1.上記結晶基板が、ダイヤモンド膜であり、上記色中心が、上記ダイヤモンド膜内の窒素−空孔中心である、段落F0に記載の方法。 F1. The method according to paragraph F0, wherein the crystal substrate is a diamond film and the color center is a nitrogen-vacancy center in the diamond film.
F2.上記結晶基板を電磁放射線で照射することをさらに含み、1つ以上の色中心の性質における変化を同定することが、上記色中心により放出される蛍光放射線を検出することを含む、段落F0またはF1に記載の方法。 F2. Paragraph F0 or F1 further comprises irradiating the crystalline substrate with electromagnetic radiation, and identifying changes in the properties of one or more color centers comprises detecting fluorescent radiation emitted by the color centers. The method described in.
F3.上記捕捉試薬が、少なくとも2つの明らかに異なる5位が修飾されたピリミジンを含むアプタマーである、段落F0〜F2のいずれか1項に記載の方法。 F3. The method according to any one of paragraphs F0 to F2, wherein the capture reagent is an aptamer containing at least two distinctly different 5-position modified pyrimidines.
F4.上記標的分子が、タンパク質である、段落F0〜F3のいずれか1項に記載の方法。 F4. The method according to any one of paragraphs F0 to F3, wherein the target molecule is a protein.
G0.サンプル液中のタンパク質分子の存在を検出するための装置を製造するための方法であって、
結晶膜を製作することと、
上記結晶膜内に複数の置換原子を埋め込むことと、
上記結晶膜内に複数の空孔を作製することと、
少なくともいくつかの置換原子を少なくともいくつかの空孔と共に配置することにより、上記結晶膜内に色中心を作製することと、
上記結晶膜の第1の表面に複数の捕捉試薬を付着させることと、
上記結晶膜の第2の表面に光検出器の層を付着させること
を含む、方法。
G0. A method for manufacturing a device for detecting the presence of protein molecules in a sample solution.
Making a crystal film and
Embedding a plurality of substituents in the crystal film and
Creating a plurality of pores in the crystal film and
By arranging at least some substitution atoms together with at least some pores, a color center is formed in the crystal film, and
Adhering a plurality of capture reagents to the first surface of the crystal film and
A method comprising attaching a layer of photodetector to the second surface of the crystal film.
G1.上記結晶膜が、化学蒸着を使用して製作される、段落G0に記載の方法。 G1. The method of paragraph G0, wherein the crystal film is made using chemical vapor deposition.
G2.上記空孔が、電子ビームを使用して作製される、段落G0またはG1に記載の方法。 G2. The method of paragraph G0 or G1, wherein the pores are made using an electron beam.
G3.上記置換原子が、高温で上記結晶膜を焼きなますことにより上記空孔と共に配置される、段落G0〜G2のいずれか1項に記載の方法。 G3. The method according to any one of paragraphs G0 to G2, wherein the substituted atom is arranged together with the pores by baking the crystal film at a high temperature.
G4.上記光検出器の層を付着させることが、リソグラフィーを使用して上記光検出器の層を製作することと、光学的に透明な接着剤を使用して上記結晶膜の第2の表面に上記光検出器の層を接着させることを含む、段落G0〜G3のいずれか1項に記載の方法。 G4. Adhering the photodetector layer can be done by using lithography to make the photodetector layer and by using an optically transparent adhesive to the second surface of the crystal film. The method according to any one of paragraphs G0 to G3, comprising bonding layers of photodetectors.
Claims (20)
流体と接触するように構成された表面と、
前記表面に付着される少なくとも2つの捕捉試薬であって、各捕捉試薬が異なるラベルフリーの標的分析物に結合するように構成された少なくとも2つの捕捉試薬と、
前記表面の近位に位置する複数の色中心と、
前記捕捉試薬の対応する1つに対する前記異なるラベルフリーの標的分析物の1つの結合に応じた前記色中心の少なくとも1つの性質における変化を検出するように構成された少なくとも1つの検出器
を含む、装置。 A device for detecting label-free target analytes,
With surfaces configured to come into contact with fluids,
At least two capture reagents attached to the surface, with at least two capture reagents configured such that each capture reagent binds to a different label-free target analyte.
With a plurality of color centers located proximal to the surface,
Includes at least one detector configured to detect changes in at least one property of the color center in response to one binding of the different label-free target analyte to the corresponding one of the capture reagents. Device.
少なくとも1つの色中心を含む結晶膜と、
前記結晶膜の表面に付着されかつそれぞれが異なるラベルフリーの標的分析物に結合するように構成された複数の捕捉試薬と、
励起光で前記色中心を照射するようにかつ前記捕捉試薬の対応する1つに対する前記異なるラベルフリーの標的分析物の1つの結合に応じた前記色中心から放射される電磁放射線を検出するように構成された検出器アセンブリ
を含む、装置。 A device for measuring the concentration of label-free target analytes.
A crystal film containing at least one color center and
A plurality of capture reagents attached to the surface of the crystal film and configured to bind to different label-free target analytes.
To detect electromagnetic radiation emitted from one of the color centers upon binding of the corresponding different label-free target analyte to one of and said capture reagent to irradiate the color centers by the excitation light A device that contains a detector assembly configured in.
結晶基板の表面に付着されかつそれぞれがサンプル液から異なるラベルフリーの標的分析物を捕捉するように構成された複数の捕捉試薬と、
前記捕捉試薬から実質的に固定された距離で配置される複数の色中心であって、前記色中心の少なくとも1つの性質が前記捕捉試薬の1つによる前記ラベルフリーの標的分析物の1つの捕捉に応じて変化する、複数の色中心と、
前記色中心の少なくとも1つの性質における変化を検出するように構成された検出器
を含む、装置。 A device for detecting label-free target analytes,
A plurality of capture reagents attached to the surface of the crystalline substrate and each configured to capture different label-free target analytes from the sample solution.
A plurality of color centers which are arranged in a substantially fixed distance from said capture reagent, prior Symbol least one color center properties one of the label-free target analyte according to one of the capture reagent you change depending on the capture, a plurality of color centers,
A device comprising a detector configured to detect a change in at least one property of the color center.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021133267A JP7225332B2 (en) | 2018-03-09 | 2021-08-18 | Proteomic assays using quantum sensors |
JP2023017693A JP7407987B2 (en) | 2018-03-09 | 2023-02-08 | Proteomic assay using quantum sensors |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/917,524 US10481155B2 (en) | 2018-03-09 | 2018-03-09 | Proteomic assay using quantum sensors |
US15/917,524 | 2018-03-09 | ||
PCT/US2019/021401 WO2019173743A1 (en) | 2018-03-09 | 2019-03-08 | Proteomic assay using quantum sensors |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021133267A Division JP7225332B2 (en) | 2018-03-09 | 2021-08-18 | Proteomic assays using quantum sensors |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021510837A JP2021510837A (en) | 2021-04-30 |
JP6932861B2 true JP6932861B2 (en) | 2021-09-08 |
Family
ID=67843823
Family Applications (3)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020571335A Active JP6932861B2 (en) | 2018-03-09 | 2019-03-08 | Proteome assay using quantum sensor |
JP2021133267A Active JP7225332B2 (en) | 2018-03-09 | 2021-08-18 | Proteomic assays using quantum sensors |
JP2023017693A Active JP7407987B2 (en) | 2018-03-09 | 2023-02-08 | Proteomic assay using quantum sensors |
Family Applications After (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021133267A Active JP7225332B2 (en) | 2018-03-09 | 2021-08-18 | Proteomic assays using quantum sensors |
JP2023017693A Active JP7407987B2 (en) | 2018-03-09 | 2023-02-08 | Proteomic assay using quantum sensors |
Country Status (9)
Country | Link |
---|---|
US (4) | US10481155B2 (en) |
EP (1) | EP3762722A4 (en) |
JP (3) | JP6932861B2 (en) |
KR (2) | KR102438296B1 (en) |
CN (2) | CN115097139A (en) |
AU (2) | AU2019230219B2 (en) |
CA (1) | CA3092959A1 (en) |
SG (1) | SG11202008450TA (en) |
WO (1) | WO2019173743A1 (en) |
Families Citing this family (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11619660B2 (en) * | 2018-02-14 | 2023-04-04 | The University Of Chicago | Electrometry by optical charge conversion of defects in the solid-state |
US10481155B2 (en) * | 2018-03-09 | 2019-11-19 | Somalogic, Inc. | Proteomic assay using quantum sensors |
US11402455B2 (en) | 2018-08-09 | 2022-08-02 | Socpra Sciences Et Genie S.E.C. | System and method for sensing spin |
US11313817B2 (en) * | 2018-08-27 | 2022-04-26 | Unm Rainforest Innovations | Optical nuclear magnetic resonance microscope and measurement methods |
US20210338158A1 (en) | 2018-10-02 | 2021-11-04 | WearOptimo Pty Ltd | Measurement system |
WO2021102593A1 (en) * | 2019-11-29 | 2021-06-03 | Pontificia Universidad Catolica De Chile | System and method for determining and quantifying the concentration of an analyte, which comprises an optically active diamond-based sensor, a chamber accommodating the sensor, and means for inserting a sample; and use of said sensor |
WO2021152421A1 (en) * | 2020-01-27 | 2021-08-05 | Michael Stern | Quantum compass |
CN115038980A (en) * | 2020-01-30 | 2022-09-09 | 艾尔默斯半导体欧洲股份公司 | NV center based magnetometer without microwave and galvanic isolation |
US11989622B2 (en) * | 2020-12-01 | 2024-05-21 | ColdQuanta, Inc. | Under-resolved quantum-array state mapping |
US11531073B2 (en) * | 2020-12-31 | 2022-12-20 | X Development Llc | Fiber-coupled spin defect magnetometry |
WO2022270520A1 (en) * | 2021-06-23 | 2022-12-29 | 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 | Fluorescence detecting device, and fluorescence detecting method |
WO2023288108A1 (en) * | 2021-07-16 | 2023-01-19 | The University Of Chicago | Biocompatible surface for quantum sensing and methods thereof |
WO2023064633A1 (en) * | 2021-10-15 | 2023-04-20 | Columbus Nanoworks, Inc. | Diamond magnetometry detection of biological targets |
DE102021212841A1 (en) | 2021-11-16 | 2023-05-17 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method, computer program product and system for sequencing a prepared DNA strand and sensor unit |
JPWO2023136015A1 (en) * | 2022-01-17 | 2023-07-20 | ||
CN114778589B (en) * | 2022-06-23 | 2022-09-30 | 中国科学技术大学 | Longitudinal relaxation rate measuring system and measuring method using same |
CN118032733B (en) * | 2024-04-12 | 2024-08-09 | 中国科学技术大学 | Quick detection method and system for molecular information |
Family Cites Families (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5270163A (en) | 1990-06-11 | 1993-12-14 | University Research Corporation | Methods for identifying nucleic acid ligands |
EP1493825A3 (en) | 1990-06-11 | 2005-02-09 | Gilead Sciences, Inc. | Method for producing nucleic acid ligands |
US6242246B1 (en) | 1997-12-15 | 2001-06-05 | Somalogic, Inc. | Nucleic acid ligand diagnostic Biochip |
DE10133844B4 (en) * | 2001-07-18 | 2006-08-17 | Micronas Gmbh | Method and device for detecting analytes |
US7536428B2 (en) | 2006-06-23 | 2009-05-19 | Microsoft Corporation | Concurrent read and write access to a linked list where write process updates the linked list by swapping updated version of the linked list with internal list |
US7964356B2 (en) | 2007-01-16 | 2011-06-21 | Somalogic, Inc. | Method for generating aptamers with improved off-rates |
US7947447B2 (en) * | 2007-01-16 | 2011-05-24 | Somalogic, Inc. | Method for generating aptamers with improved off-rates |
JP5404620B2 (en) * | 2007-07-17 | 2014-02-05 | ソマロジック・インコーポレーテッド | Multiplexed analysis of test samples |
US8193808B2 (en) * | 2009-09-11 | 2012-06-05 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Optically integrated biosensor based on optically detected magnetic resonance |
GB201015260D0 (en) | 2010-09-14 | 2010-10-27 | Element Six Ltd | A microfluidic cell and a spin resonance device for use therewith |
EP2907792A4 (en) * | 2012-10-12 | 2016-06-29 | Japan Science & Tech Agency | Nano-diamond particle and method for producing same, and fluorescent molecular probe and method for analyzing structure of protein |
JP2014095025A (en) * | 2012-11-08 | 2014-05-22 | Osaka Univ | Diamond composite particles |
US9486163B2 (en) | 2014-02-21 | 2016-11-08 | Verily Life Sciences Llc | Silicon-vacancy-doped nanodiamonds for molecular and cellular imaging |
US9823313B2 (en) | 2016-01-21 | 2017-11-21 | Lockheed Martin Corporation | Diamond nitrogen vacancy sensor with circuitry on diamond |
US9759719B1 (en) | 2014-07-21 | 2017-09-12 | Verily Life Sciences Llc | Nanodiamond counting |
JP2016205954A (en) * | 2015-04-21 | 2016-12-08 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Magnetic measuring device |
US10481155B2 (en) * | 2018-03-09 | 2019-11-19 | Somalogic, Inc. | Proteomic assay using quantum sensors |
-
2018
- 2018-03-09 US US15/917,524 patent/US10481155B2/en active Active
-
2019
- 2019-03-08 CN CN202210648039.9A patent/CN115097139A/en active Pending
- 2019-03-08 CN CN201980031340.1A patent/CN112105929B/en active Active
- 2019-03-08 AU AU2019230219A patent/AU2019230219B2/en active Active
- 2019-03-08 KR KR1020217007670A patent/KR102438296B1/en active IP Right Grant
- 2019-03-08 SG SG11202008450TA patent/SG11202008450TA/en unknown
- 2019-03-08 KR KR1020207028277A patent/KR102230209B1/en active IP Right Grant
- 2019-03-08 JP JP2020571335A patent/JP6932861B2/en active Active
- 2019-03-08 CA CA3092959A patent/CA3092959A1/en active Pending
- 2019-03-08 WO PCT/US2019/021401 patent/WO2019173743A1/en active Application Filing
- 2019-03-08 EP EP19763976.8A patent/EP3762722A4/en active Pending
- 2019-11-18 US US16/686,911 patent/US11249080B2/en active Active
-
2021
- 2021-04-12 AU AU2021202190A patent/AU2021202190B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2021-08-18 JP JP2021133267A patent/JP7225332B2/en active Active
-
2022
- 2022-02-15 US US17/672,089 patent/US11698373B2/en active Active
-
2023
- 2023-02-08 JP JP2023017693A patent/JP7407987B2/en active Active
- 2023-07-11 US US18/350,379 patent/US20230349896A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021193377A (en) | 2021-12-23 |
US20230349896A1 (en) | 2023-11-02 |
CN112105929B (en) | 2022-05-10 |
JP2021510837A (en) | 2021-04-30 |
AU2021202190B2 (en) | 2024-03-14 |
AU2019230219A1 (en) | 2020-10-15 |
CA3092959A1 (en) | 2019-09-12 |
US20200081001A1 (en) | 2020-03-12 |
JP2023071681A (en) | 2023-05-23 |
AU2019230219B2 (en) | 2021-01-14 |
AU2021202190A1 (en) | 2021-05-06 |
KR20200118227A (en) | 2020-10-14 |
KR20210032016A (en) | 2021-03-23 |
SG11202008450TA (en) | 2020-09-29 |
EP3762722A1 (en) | 2021-01-13 |
EP3762722A4 (en) | 2021-11-03 |
WO2019173743A1 (en) | 2019-09-12 |
CN112105929A (en) | 2020-12-18 |
US11249080B2 (en) | 2022-02-15 |
JP7407987B2 (en) | 2024-01-04 |
US10481155B2 (en) | 2019-11-19 |
CN115097139A (en) | 2022-09-23 |
US20190277842A1 (en) | 2019-09-12 |
US11698373B2 (en) | 2023-07-11 |
US20220170927A1 (en) | 2022-06-02 |
JP7225332B2 (en) | 2023-02-20 |
KR102438296B1 (en) | 2022-08-31 |
KR102230209B1 (en) | 2021-03-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6932861B2 (en) | Proteome assay using quantum sensor | |
US10914800B2 (en) | Magnetic resonance spectrometer | |
US7989220B2 (en) | Metal-enhanced fluorescence for polarization-based affinity assays | |
US11313817B2 (en) | Optical nuclear magnetic resonance microscope and measurement methods | |
US11480541B2 (en) | Optical imaging of single molecule size, charge, mobility, binding and conformational change | |
De Palma et al. | Magnetic bead sensing platform for the detection of proteins | |
US20120258553A1 (en) | Analyte measurement apparatus and method | |
JP2009150708A (en) | Detection method and inspection kit of target substance | |
Wang et al. | Probing single-molecule binding event by the dynamic counting and mapping of individual nanoparticles | |
JP2000221192A (en) | Specimen, method for quantitatively or qualitatively measuring its interaction or reaction dynamics, and sample carrier | |
Lin et al. | One‐droplet saliva detection on photonic crystal‐based competitive immunoassay for precise diagnosis of migraine | |
US20190271707A1 (en) | Method and Apparatus Employing Magnetic Beads for Ligand Binding Assays of Biological Samples | |
Ham et al. | The silicon that moves and feels small living things | |
JP2007155603A (en) | Analyzing method using fluorescent depolarization method | |
JP4999007B2 (en) | Target substance detection chip using antigen-antibody reaction | |
WO2009075414A1 (en) | Ps-spcl searching apparatus and method using surface plasmon resonance | |
Wang et al. | Conference 6380: Smart Medical and Biomedical Sensor Technology IV |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20201224 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201224 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20201224 |
|
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20210129 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210302 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210601 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210720 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210818 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6932861 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |